Zespół spawalniczy do modyfikowania warstwy wierzchniej materiałów

Przedmiotem wynalazku jest zespół spawalniczy do modyfikowania warstwy wierzchniej stopów magnezu i innych materiałów metalicznych, wykazujących silne powinowactwo do tlenu.
Stopy magnezu wyznaczają aktualne trendy światowe w inżynierii materiałów metalicznych. Są to materiały niezwykle interesujące z poznawczego i aplikacyjnego punktu widzenia. Ich atrakcyjność wynika z wysokiej wytrzymałości i niskiej gęstości, co pozwala im konkurować ze stopami aluminium czy tworzywami sztucznymi. Ograniczeniem w ekspansji aplikacyjnej stopów magnezu jest niska twardość, odporność na zużycie ścierne oraz korozję. Jednym ze skutecznych sposobów poprawy wyżej wymienionych właściwości jest modyfikacja warstwy wierzchniej. Warstwę tę poddaje się najczęściej obróbce przetopieniowej za pomocą wysokoenergetycznych źródeł ciepła, z reguły są to lasery Nd:YAG oraz CO2. Duże gęstości mocy, tak charakterystyczne dla wysokoenergetycznych źródeł ciepła sprawiają, że w bardzo krótkim okresie czasu kumulowana jest w małej objętości materiału ogromna energia, co skutkuje intensywnym stopieniem materiału, z następującym po tym ultraszybkim chłodzeniem, a w konsekwencji nierównowagową krystalizacją przetapianego materiału. Zmiany jakościowe i ilościowe, jakie generowane są w materiale, prowadzić mogą w takim przypadku do ukonstytuowania się jakościowo nowego materiału o całkowicie odmiennych właściwościach.
Wybór techniki przetapiania podyktowany jest nie zawsze względami merytorycznymi, ale częstokroć brakiem rozwiązań alternatywnych. Stąd celowym wydała się być próba zaadaptowania na potrzeby powierzchniowej obróbki przetopieniowej stopów magnezu metody spawalniczej GTAW.
Ze względu na właściwości fizykochemiczne stopów magnezu, a w szczególności podatność do utleniania, wykorzystanie technik spawalniczych w procesie modyfikowania warstwy wierzchniej jest silnie ograniczone. Powierzchniowe tlenki stanowią bowiem barierę dla przepływającego prądu, powodując uginanie się łuku elektrycznego, a nawet jego wygaszanie. Towarzyszą temu niekorzystne zmiany w geometrii powierzchni materiału, dyskwalifikujące częstokroć zastosowaną metodykę obróbki. Uzyskanie satysfakcjonujących efektów przetapiania wymaga w takim przypadku zastosowania niekonwencjonalnych metod i rozwiązań. Mając na uwadze rangę problemu, podjęto się prac metodycznych i konstrukcyjnych, których efektem było opracowanie oryginalnego układu dwupalnikowego „tandem”.
Istotą opracowanego rozwiązania wynalazczego jest zespół dwóch palników pracujących w układzie tandem, z których pierwszy oczyszcza powierzchnię modyfikowaną z warstwy tlenków na drodze czyszczenia katodowego, natomiast drugi palnik przetapia oczyszczoną powierzchnię bądź wywołuje inne zmiany strukturalne.
Wskazane jest by spawalniczym źródłem zasilania pierwszego palnika był zasilacz prądu przemiennego, a drugiego palnika zasilacz pulsującego prądu jednokierunkowego.
Opracowane rozwiązanie umożliwia przetopienie warstwy wierzchniej stopów magnezu i innych materiałów wykazujących silne powinowactwo do tlenu bądź wywołanie w materiale innych zmian strukturalnych bez konieczności uprzedniego przygotowania powierzchni obrabianych na drodze usuwania mechanicznego bądź chemicznego tlenków. Proces oczyszczania powierzchni materiału z warstwy utlenionej realizowany jest bezpośrednio w trakcie obróbki modyfikującej strukturę warstwy wierzchniej materiału. Prosta konstrukcja zestawu wpływa na zmniejszenie kosztów procesu modyfikowania.
Adaptacja metody spawalniczej GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) oprócz wymiernych korzyści poznawczych i utylitarnych oraz wzbogacenia dostępnego instrumentarium stanowi ponadto wyraz przełamywania pewnych stereotypów i przeświadczeń wedle, których przydatność tego typu źródeł ciepła ograniczona jest wyłącznie do celów spawalniczych. Pomimo, że spawalnicze źródła ciepła są znane i wykorzystywane od kilkudziesięciu lat, to spektrum ich zastosowań koncentruje się głównie wokół zagadnień łączenia materiałów i ich regeneracji. Atrakcyjność spawalniczych źródeł ciepła łączy się z niskim kosztem aparaturowym, prostotą obsługi oraz większą dostępnością w porównaniu do droższych technologii laserowych.
Efektywność opracowanego rozwiązania została potwierdzona w trakcie badań strukturalnych i wybranych właściwości mechanicznych warstwy wierzchniej. Opracowane rozwiązanie zostało nagrodzone srebrnymi i brązowymi medalami na wystawach wynalazczości i innowacyjności IWIS 2011, Archimedes 2012 oraz Taipei 2012.

Rynkiem strategicznym dla stopów magnezu jest przede wszystkim branża motoryzacyjna, w której dzięki wprowadzaniu innowacyjnych technologii wykorzystujących lekkie stopy konstrukcyjne możliwe jest uzyskanie wymiernych korzyści ekonomicznych i ekologicznych, będących konsekwencją obniżenia masy pojazdów. Jednakże należy podkreślić, że w wielu zastosowaniach zużycie stopów magnezu odbywa się głównie bądź też wyłącznie na powierzchni i wówczas własności objętościowe nie decydują o trwałości eksploatacyjnej. Wykorzystanie obróbki powierzchniowej pozwala w takim przypadku spełniać wymagania stawiane materiałom przez nowoczesną, stale rozwijającą się technikę. Wśród obszarów zastosowań należy wymienić elementy z zakresu mechaniki precyzyjnej, elektroniki czy też elektrotechniki, od których wymaga się zwiększonej trwałości w obszarze warstwy wierzchniej, gwarantujące długotrwałą eksploatację. Należy przy tym dodać, iż zmiany jakie udaje się osiągnąć w materiale poddanym powierzchniowemu przetopieniu, przekładające się na konkretne właściwości, są trudne do uzyskania przy zastosowaniu klasycznych metod obróbki cieplnej czy cieplno-chemicznej, co dodatkowo zwiększa ich atrakcyjność w stosunku do materiałów w stanie nieprzetopionym.
Potencjał aplikacyjny projektu wyraża się także w możliwości wzbogacenia dostępnej metodyki i instrumentarium stosowanych w inżynierii powierzchni o nowe oryginalne rozwiązania, w tym rozwiązania wykorzystujące techniki spawalnicze zarezerwowane dotychczas wyłącznie do celów spawalniczych.

Modyfikacja warstwy wierzchniej, metoda GTAW

Zmiany, jakich należy oczekiwać po zastosowaniu spawalniczych źródeł ciepła winny się przyczynić do znacznej poprawy parametrów eksploatacyjnych stopów magnezu oraz innych materiałów metalicznych, wykazujących podatność do utleniania. Poprawa parametrów eksploatacyjnych – twardości, odporności na ścieranie i korozję stopów magnezu uzyskana sposobem przedstawionym w pracy powinna zainteresować przede wszystkim firmy bazujące obecnie na tym tworzywie metalicznym. Własności te przy zastosowaniu praktycznym przekładają się na aspekt ekonomiczny niezmiernie istotny dla przedsiębiorców, bowiem zwiększenie trwałości produkowanych wyrobów czy elementów maszyn wiąże się z wydłużeniem czasu ich eksploatacji oraz ograniczeniem nakładów finansowych przeznaczonych na ich regenerację. Zaproponowane w ramach pracy rozwiązania i potencjalne efekty strukturalne obróbki przyczynić się mogą do rozszerzenia zakresu stosowania stopów magnezu na nowe dotąd nieznane obszary. Wzrost właściwości eksploatacyjnych zwiększy przewagę stopów magnezu nad konkurencyjnymi wyrobami ze stopów aluminium czy tworzyw sztucznych.

- Twórca jest zainteresowany nawiązaniem współpracy w celu dalszych badań nad wynalazkiem
- Twórca jest zainteresowany wdrożeniem wynalazku
- Twórca wyraża zgodę na udział w Spotkaniu Brokerskim