CZ.1
Spawalnictwo metali jest to dział technologii obejmujący procesy spajania, tj.trwałego łączenia metali przez uzyskiwanie ciągłości materiałowej w miejscu, gdzie ma powstać złącze.
SPAWALNICTWO spawanie zgrzewanie
lutowanie Procesy pokrewne
hartowanie płomieniowe cięcie metalizacja natryskowa
Spawanie
Proces wykonywania połączenia nierozłącznego z użyciem źródła ciepła, poprzez stopienie brzegów materiału rodzimego przy użyciu spoiwa lub bez.
Zgrzewanie
Proces wykonywania połączenia nierozłącznego z użyciem źródła ciepła oraz docisku i z podgrzaniem materiału rodzimego do temperatury plastyczności.
Lutowanie
Proces wykonywania połączenia nierozłącznego z użyciem spoiwa ( lutu ) przez nagrzanie brzegów materiału do temperatury zwilżenia.
Spoina - część złącza, która powstaje ze stopionych elektrod i metalu rodzimego podczas spawania.
Stopiwo - metal otrzymywany ze stopienia
elektrody.
Rowek - miejsce przystawienia dwóch spawanych blach.
Ścieg - wałeczek metalu, który spawacz układa przesuwając topiącą się elektrodę ruchem równomiernym.
Do spoiny przylega strefawpływu ciepła - SWC.
Jest to obszarmateriału rodzimego, który nie uległ stopieniu, lecz wzrost temperatury jest na tyleduży, że doprowadza do zmian strukturalnych.
Przemiany te mogą skutkować bardzo znacznymi zmianami właściwości mechanicznych w tej strefie.
Rozległość tej strefy zależy od metody i parametrów spawania.
W dalejpołożonym materiale wzrost temperatury jest niższy i nie powoduje przemian strukturalnych.
Rodzaje spoin:
Czołowe, pachwinowe, otworowe Rodzaje złącz:
doczołowe, zakładkowe, nakładkowe, teowe, kątowe, krzyżowe, przylgowe, otworowe
Podstawowe pozycje spawania:
Podolna, naboczna, naścienna, okapowa, pułapowa, pionowa Najczęściej stosowana pozycja spawania dla spoin czołowych - podolna,
Dla spoin pachwinowych - naboczna
/Ekwiwalentna zawartość węgla/
/Maksymalna twardość w strefie przyspoinowej nie może przekraczać 350 HV dla stali manganowej– kryterium
r
Orientacyjna ocena spawalności stali:
• Przy C< 0,3% i Ce < 0,5% stal można uznać za dobrze spawalną, jednak należy uwzględnić grubość materiału.
• Przy C< 0,35% i 0,5 < Ce < 0,7% spawanie jest możliwe, lecz niezbędne jest podgrzewanie części przed i w czasie spawania. Może się okazać, że niezbędna jest obróbka cieplna po spawaniu
• Przy C> 0,35% i Ce > 0,7% używa się sformułowania, że stal jest warunkowo spawalna
Spawanie gazowe
Charakteryzuje się tym, że ciepło potrzebne do stopienia się brzegów spawanych metali i materiału dodatkowego, czyli stopiwa w obrębie spoiny powstaje przez spalanie się gazów w obrębie spoiny.
Podstawowymi gazami stosowanymi przy spawaniu jest acetylen i tlen. Czasami stosuje się wodór lub metan.
Przy spawaniu acetylenowym źródłem ciepła jest płomień, który otrzymuje się przez spalanie mieszanki acetylenu z tlenem.
Podczas spawania - strefa najwyższej temperatury C dotyka przedmiotu (kita płomienia chroni ciekły metal od dostępu powietrza)
b)
c)
płomień nawęglający
płomień utleniający
Schematy palników: a) palnik smoczkowy, b) palnik bezsmoczkowy;
A – komora mieszania B – acetylen C – tlen
Wydajność palnika mierzy się ilością spalanego acetylenu l/h Tlen zasysa acetylen
Wady metody:
• niska jakość uzyskanych połączeń, zarówno pod względem metalurgicznym jak iwłaściwości mechanicznych,
• niska wydajność spawania,
• strefa wpływu ciepła bardzo szeroka, elementy ulegają odkształceniom spawalnym,
Grubość blach spawanych 0,4 – 10 mm
Spawanie elektryczne 1. Łukowe ręczne
2. Elektronowe 3. W gazach 4. Żużlowe 5. Pod topnikiem 6. Plazmowe 7. Atomowe
Spawanie elektryczne łukowe
Przy spawaniułukowym, z zasady element spawany włączony jest w obwód elektryczny. Stanowi jeden z biegunów /anoda/. Drugim biegunem jest elektroda /katoda/. Obwód elektryczny zamyka łuk elektrycznyjarzący się między elektrodą i przedmiotem spawanym.
Jestgłównym źródłem ciepła, powodującym nadtapianie materiału rodzimego i topienie spoiwa – elektrody w przypadku elektrody topliwej lub drutu w przypadku elektrody nietopliwej.
Łuk elektryczny jest strumieniem zjonizowanych cząsteczek.
Jonizacja zachodzi podwpływem wysokiej temperatury. Cząsteczki gazów i par topionych metali oraz składników otuliny rozpadają się na dodatnionaładowane jony i elektrony.
Jony dodatnie przyciągane są przez katodę, a elektrony przez anodę. Dzięki temu łuk elektryczny staje się dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego.
Włuku można wyróżnić wąski, stożkowy słup plazmy, usytuowany w jego osi iosłonę łuku.
Głównym przewodnikiem prądu w łuku jest słup plazmy i jest to strumień silnie zjonizowanych cząsteczek.
Do produkcji elektrod stosujesię:
• Surowce mineralne ( np. rudy żelaza, manganu, tytanu, glinokrzemiany, węglany wapnia, fluoryt )
• Żelazostopy ( żelazomangan, żelazokrzem, żelazochrom )
• Szkło wodne
Masa otulinowa: surowce mineralne, rozdrobnioneżelazostopy, szkło wodne
Podział elektrod w zależności od grubości otuliny
Cienkootulone g< 10% d Średniotulone 10%d < g < 40%d
Grubootulone g > 40%d
Podział elektrod w zależności od składu otuliny:
1.Kwaśne 2. Zasadowe 3. Rutylowe 4. Celulozowe
Otulina kwaśna podwyższa plastyczność spoiny, lecz obniża jej wytrzymałość. Sprzyja uzyskaniu spoin o płaskim i gładkim licu.
Przy elektrodach o otulinie celulozowej większość masy otuliny paruje pod wpływem ciepła. Niewielka część topiącej się otuliny dociera do spoiny. Warstważużla na spoinie jest cienka. Elektrody te zalecanesą do spawania w pozycji pionowej z góry na dół.
Do spawania stali węglowych najczęściej stosuje się elektrody o otulinie rutylowej (duża ilość w otulinie rutylu, tj. TiO2 - dwutlenek tytanu ). Zewzględu na dużą zawartość wodoru nie są zalecane do spawania staliwysokowytrzymałych.
Konstrukcje stalowe o podwyższonej wytrzymałości spawa się elektrodami o otulinie zasadowej.Głównym składnikiem otuliny jest węglan i fluorek wapnia.
Otulina zabezpiecza:
1.Obniżanie potencjału jonizacyjnego powietrza w przestrzeni łukowej, ułatwia zajarzenie łuku i stabilne jarzenie;
2. Jednorodne przenoszenie metalu z elektrody do jeziorka;
3.Ochronę metalu ciekłego w kropli i jeziorku przed powietrzem;
4.Regulację składu chemicznego stopiwa poprzez wprowadzenie składników stopowych;
5. Utworzenie żużla zmniejszającego prędkość chłodzenia i formującego lico spoiny w pozycjach przymusowych.
W zależności od przeznaczenia rozróżniamy elektrody następujących rodzajów:
elektrody do spawania stali konstrukcyjnychniskowęglowych, niskostopowych,produkowanych wróżnych gatunkach, zależnie od wymagań stawianych złączom spawanym pod względem wytrzymałości i innych własności mechanicznych,
elektrody do stali konstrukcyjnych stopowych, np. do stali nierdzewnych, kwasoodpornych, itp.,
elektrody dożeliwa,
elektrody do spawania i napawania metalinieżelaznych.
Elektrody nietopliwe do spawania stali:
węglowe, grafitowe - stosowane do automatycznego spawania cienkich blach stalowych (zbiorniki, beczki z cienkich blach), do spawania miedzi i jej stopów, do cięcia oraz do spawania w atmosferzegazów obojętnych ( argonu, helu),
wolframowe– do spawania w atmosferze wodoru lub argonu i helu
AUTOMATYCZNE SPAWANIE ŁUKIEM KRYTYM ( pod topnikiem )
Mechanizm podawania drutu elektrodowego + kaseta z elektrodą + zbiornik topnika umieszczone są na wózku napędzanym silnikiem elektrycznym.
Umożliwia to przesuw urządzenia spawającego wzdłuż spoiny
Zalety:
Niewidać łuku ( bezpieczne spawanie ), Łatwa automatyzacja;
Wysokajakość spoiny, Duża wydajność i oszczędność
Wada: ograniczenie pozycji spawania (pozycja podolna lub naboczna)
SPAWANIE W OSŁONIE Z CO2 ( MAG ) (gaz aktywny)
Osłona gazowa pozwala na obciążenie elektrody prądem o bardzo wysokimnatężeniu,
Jako spoiwo stosujesię cienkie druty :1,2; 1,6;2,0;2,4 Szybkie topienie drutu - posuw drutu ok. 100-300m/min, Łuk w osłonie z CO2charakteryzujesię bardzo głębokim wtopem
CO2CO + O2
Abyprzeciwdziałać utlenianiu metalu spoiny stosuje się spoiwo o dużej zawartości krzemu i manganu
Tlenki krzemu i manganutworzą żużel wypływający na powierzchnię topionego metalu
Drut elektrodowy min. 0,6% Si i 0,9% Mn
Zalety:
Łatwość spawania w innych pozycjach niż podolne, Naturalna pozycja– naścienna,
Zastąpienie elektrod otulonych przez tańszy drut ( bez otuliny ), koszt gazu niski
Wada:
Konieczność operowania skomplikowaną aparaturą.
Metoda stosowana do stalizwykłej ( karoserie samochodów )
SPAWANIE W OSŁONIE Z GAZÓW OBOJĘTNYCH MIG
Spawanie stali wysokostopowych oraz metali lekkich: aluminium i jego stopy
Gazyobojętne: hel, argon
Osłona gazowa chroni łuk od dostępu powietrza i podwyższa jego temperaturę
Spawanie beztopników
Elektroda topliwa spełnia również rolę spoiwa /cienki drut o średnicy 0,5- 4 mm/
Metoda automatyczna,półautomatyczna Szybkość spawania większa niż w TIG
Metoda najekonomiczniejsza, wysokajakość spoin, Minimalnagrubość blach 4 mm
Zastosowanie :
Metodę MIG/MAG stosuje się do uzyskania połączeń o wysokiej jakości we wszystkich stalach niskowęglowych, niskostopowych i stopowych, aluminium i stopach aluminium, miedzi i stopach miedzi, a także innych metali i ich stopów.
Metodą można łączyć elementy o grubości od 0,8 mm.
Osłonę z gazów aktywnych stosuje się do stali węglowej o przeciętnych własnościach.
Osłona z gazów obojętnych polecana jest do spawania wszelkich stali oszczególnych cechach, np. stale nierdzewne, kwasoodporne i do stopów metali nieżelaznych.
SPAWANIE W OSŁONIE Z GAZÓW OBOJĘTNYCH TIG
Półautomatyczne lub automatyczne
Spawanie z podawaniem spoiwa, topionego włuku jednocześnie z metalem rodzimym.
Elektrody:
Wolframowe ( z czystego sproszkowanego wolframu , spiekanego w wysokich temperaturach w atmosferze wodoru )
Wolframowe zdomieszką ok. 1% dwutlenku toru ThO2, (mogą być bardziejobciążone prądem, wolniej się zużywają )
Zalety:
Spoiny bardzo wysokiejjakości, Szybki proces spawania,
Spawać można w poziomie i we wszystkich pozycjach przymusowych,łącznie z pułapową
Zastosowanie:
Spawanie stali stopowej,stopów aluminium, niklu, tytanu i innych.
SPAWANIE ELEKTROŻUŻLOWE
1- drut elektrodowy; 2- podajnik drutu; 3-nakładki formujące; 4-chłodzenie wodne; 5-dopływ gazu osłonowego; 6-jeziorko spawalnicze; 7-spoina; 8-ciekły żużel; 9-źródło prądu
Łączenie materiałów o grubości powyżej 15 mm w jednym przejściu.
Spawane blachy ustawione są pionowo, odstęp między łączonymi brzegami– w zależności od ich grubości wynosi 20 – 42 mm.
W miejscu spawaniaprzestrzeń między brzegami blach zamknięta jest nakładkami miedzianymi (suwakami), chłodzonymi wodą.
Do tak ograniczonej przestrzenidopływa drut elektrodowy i dosypywany jest drobnymi porcjami topnik. Stopiony żużel utrzymuje się na powierzchni jeziorkapłynnego metalu.
Spawanie odbywasię bez jarzenia łuku, a zamiana energii elektrycznej w cieplną odbywa się w warstwie żużla, który odgrywa rolę elementu grzejnego(tysiące mikro łuków między elektrodą i topnikiem).
SPAWANIE ELEKTRONOWE
SPAWANIE ELEKTRONOWE
Źródłem ciepłem – strumień elektronów emitowany przez katodę (wolfram, tantal) – duża zdolność emisji elektronów w wysokiej temperaturze
Elektrony skupione wwąski strumień poruszają się z prędkością do 190 000 km/s
Ciśnienie w komorze roboczej - od ok. 1,5 ∙10-4 Pa (spawarki o wysokiejpróżni)
Wiązka o gęstości mocy w zakresie 10 – 100 kW/mm2
Parametry spawania elektronowego:
•napięcie przyspieszające wiązkę elektronówU=10– 200 kV
•natężenie prądu wiązki elektronówI = 10– 1000 mA
• prędkość spawania v = 0,1 – 15 m/min
• średnica wiązki na powierzchni złącza d = 0,01 – 10 mm
•położenie ogniska wiązki względem górnej powierzchni złącza (na głębokości ok. 1/3 – ½ wysokości spoiny)
Zastosowanie:
początkowo głównie do łączenia metali trudnotopliwych lub chemicznie aktywnych jak W, Mo, Ti, V, Nb, Be,które z trudem daje się spawać innymi metodami.
obecnie metodę tę stosuje się dosyć szeroko do wykonywania skomplikowanych części maszyn z elementów wykonywanych z różnych materiałów obrabialnych na gotowo.
Przetopienie dogłębokości ok. 300 mm
SPAWANIE PLAZMOWE ( z łukiem zawężonym)
Źródłem ciepła stapiającym metal jest łuk plazmowy , tzn. mechanicznie zawężony przez dyszę łuk elektryczny, jarzący się w zjonizowanym gazie, którym jest najczęściej argon.
W warunkachzawężonego łuku – a więc wysokiej gęstości przewodzącego prądu i dużej koncentracji ciepła – strumień doprowadzonego do dyszy gazu ulega dalszej silnej jonizacji, w wynikuktórej zmienia się on w strumień plazmy,składającej się z jonów, wolnych elektronów i pojedynczych atomów.
Łuk jest zasilany prądem stałym i jarzy się między materiałem spawanym a elektrodą nietopliwą wolframową, która jest katodą.
Temperatura spawalniczegołuku plazmowego wynosi ok. 10 0000- 30 0000C Oprócz gazu plazmowego stosowany jest również gaz ochronny.
Spawanie przynatężeniach prądu od ok. 0,01 do ok. 30 A nosi nazwę mikroplazmowego.
Zalety:
• wysoka stabilność kierunkowa zogniskowanego łuku (kąt rozwarcia łuku nie przekracza 70)
• niezależność kształtu łuku od zmiany odległości palnika od spawanego przedmiotu,
• możliwość regulacji energii liniowej łuku
• wysoka sprawność łuku
Spawasię stale konstrukcyjne i stopowe, miedź i aluminium oraz ich stopy Dokładnie przygotowane złącze.
SPAWANIE LASEROWE
Źródłem ciepła jest promień laserowy, który stanowi wiązkę koherentnego promieniowania świetlnego (strumienia fotonów) o prawie jednakowej długości fali, co daje możliwość skoncentrowania światła i uzyskania wielkiej gęstości energii.
Docelów spawalniczych stosuje się lasery stałe z elementem czynnym krystalicznym (np. rubin) oraz szklanym(szkło optyczne ).
Dokładnie przygotowane złącza pod względem mechanicznym i wymiarowym
Wady spoin:
1. niedostatecznagrubość spoiny, 2. zbyt grube nadlewy,
3. zanieczyszczenie spoinyżużlem, 4. porowatość spoiny (pęcherze), 5. niewłaściwy przetop, 6. rysy ipęknięcia, 7. przyklejenie spoiny
