ĆWICZENIE SP-2. Laboratorium Spajalnictwa. Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. B. Surowska

Transkrypt

1 Akceptował: Kierownik Katedry prof. dr hab. B. Surowska POLITECHNIKA LUBELSKA WYDZIAŁ MECHANICZNY KATEDRA INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Laboratorium Spajalnictwa ĆWICZENIE SP-2 Opracowali: dr inż. Mirosław Szala dr inż. Leszek Gardyński I. Temat ćwiczenia: Spawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną. II. Cel ćwiczenia: Praktyczne zapoznanie się z procesami spawania i napawania elektrodami otulonymi oraz materiałami dodatkowymi stosowanymi do ręcznego spawania łukowego. Analiza wpływu parametrów spawania i napawania na jakość wykonanych złączy i napoin. III. Ważniejsze pytania kontrolne 1. Istota procesu spawania łukowego elektrodami otulonymi. 2. Parametry spawania łukowego elektrodą otuloną (MMA). 3. Funkcje otuliny w procesie spawania, skład otuliny elektrod otulonych. 4. Charakterystyka łuku elektrycznego (spawalniczego). 5. Charakterystyka elektrod otulonych kwaśnych, zasadowych rutylowych i celulozowych. 6. Budowa, oznaczenia i podział elektrod otulonych (rodzaj, grubość otuliny i rdzenia). 7. Oznaczenia elektrod otulonych wg zasady A oraz B. 8. Podstawowe zastosowania elektrod ze względu na rodzaj otuliny. 9. Zasada doboru elektrod otulonych do spawania stopów metali. 10. Wpływ pozycji spawania i rodzaju otuliny na możliwość prowadzenia procesu spawania MMA. 11. Użytkowanie elektrod otulonych do ręcznego spawania łukowego. 12. Źródła energii do spawania łukowego i ich charakterystyka. 13. Charakterystyka statyczna spawalniczych źródeł energii do spawania elektrodami otulonymi. 14. Technika wykonywania spoin w zależności od grubości łączonych elementów oraz pozycji spawania. 15. Technika spawania łukowego ręcznego w różnych pozycjach spawania. 16. Technologia spawania żeliwa elektrodami otulonymi. 17. Napawanie utwardzające elektrodami otulonymi. 18. Technologia napawania regeneracyjnego stopami na osnowie niklu, kobaltu oraz nakładanie powłok typu MMC (metal matrix composite). 19. Spawalność stopów metali (metalurgiczna, konstrukcyjna i technologiczna). 20. Wpływ zawartości węgla i wartości równoważnika węgla Ce na spawalność stali. 21. Odkształcenia spawalnicze. 22. Energia liniowa spawania. 23. Rodzaje złączy spawanych, spoin, sposobów ukosowania i pozycji spawania. 24. Rodzaje złączy oraz strefy charakterystyczne złączy spawanych. 25. Pozycje spawania połączeń blach i rur. Politechnika Lubelska, Katedra Inżynierii Materiałowej, 2019,

2 IV. Literatura 1. B. Kurpisz, Spawanie gazowe i łukowe elektrodami otulonymi, KaBe, Mistur L.: Spawanie gazowe, elektryczne i w osłonie gazów ochronnych, Wydawnictwo "KaBe", Krosno, Techniki wytwarzania spawalnictwo laboratorium: pod redakcją Andrzeja Ambroziaka, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Kurpisz B., Procesy spawania metali, Wydawnictwo i Handel Książkami "KaBe", Krosno, Ferenc K., Spawalnictwo, WNT, Warszawa, Klimpel A., Podręcznik spawalnictwa. Tom I. Technologie spawania i cięcia. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice, Klimpel A., Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali: technologie, WNT, Warszawa, Pilarczyk J., Spawanie i napawanie elektryczne metali, Wyd. Śląsk, Katowice, Dobrowolski Z.: Podręcznik spawalnictwa. WNT, Warszawa, Marcolla K.: Zarys spawalnictwa. PWN, Warszawa - Poznań, Dobaj E., Maszyny i urządzenia spawalnicze, WNT, Warszawa, Poradnik Inżyniera. Spawalnictwo. WNT, Warszawa, PN-EN ISO : Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali -- Badanie technologii spawania -- Część 1: Spawanie łukowe i gazowe stali oraz spawanie łukowe niklu i stopów niklu. 14. PN-EN ISO Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali - Instrukcja technologiczna spawania - Część 1: Spawanie łukowe. 15. PN-EN ISO :2009 Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali - Badanie technologii spawania - Część 7: Napawanie. 16. PN-EN ISO Specyfikacja i kwalifikowanie technologii spawania metali - Kwalifikowanie na podstawie przedprodukcyjnego badania spawania. 17. PN-EN ISO 5173:2010 Badanie niszczące spoin w materiałach metalowych Badanie na zginanie 18. PN-EN ISO Spawanie - Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką) - Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych. 19. PN-EN ISO Spawanie i procesy pokrewne. Klasyfikacja geometrycznych niezgodności spawalniczych w metalach. Spawanie. 20. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, czasopismo dostępne na: Przegląd Spawalnictwa, czasopismo dostępne na V. Wstęp teoretyczny 1. Spawalność Spajalność jest to zdolność tworzyw konstrukcyjnych do tworzenia połączeń spawanych. Spawalność zespół cech charakteryzujących przydatność i podatność określonego materiału na spawanie wykonane przyjętymi metodami i z zastosowaniem takich środków postępowania, w wyniku których powinno się uzyskać połączenie o wymaganych właściwościach (np. fizycznych, chemicznych, mechanicznych, eksploatacyjnych). Wyróżniamy spawalność: metalurgiczną, technologiczną i konstrukcyjną (czynniki wpływające na spawalność dzieli się na trzy grupy metalurgiczne, konstrukcyjne i technologiczne). 2

3 We wstępnej ocenie spawalności metalurgicznej stali niestopowych (tzw. węglowych), niskostopowych C-Mn oraz drobnoziarnistych określa się tzw. równoważnik węgla CE. W sposób przybliżony stale niestopowe i niskostopowe można podzielić na łatwo spawalne, średnio spawalne, trudno spawalne oraz niespawalne. Jeżeli w stalach niestopowych C 0,2% to stal jest łatwo spawalna, a w zależności od wartości CE jeżeli CE 0,5% oraz C 0,3% to stal jest spawalna; jeżeli 0,5 CE 0,7% oraz C 0,35% to stal trudno spawalna. Równoważnik węgla CE (wg. Międzynarodowego Instytutu Spawalnictwa), czyli przeliczona zawartość składników stopowych w stali na zawartość węgla. Mn Cr Mo V Ni Cu CE C % (1) Materiał dodatkowy, podstawowy podział spoin i sposoby wykonania złącza Spawanie łukowe ręczne elektrodą otuloną (wg PN-EN ISO 4063 metoda spawania 111), z ang. shielded metal arc welding - SMAW lub też manual metal arc welding MMA Rodzaj materiału dodatkowego (spoiwa) Rodzaj otuliny elektrody otulonej: A elektroda o otulinie kwaśnej; B elektroda o otulinie zasadowej; C elektroda o otulinie celulozowej; R elektroda o otulinie rutylowej; RA elektroda o otulinie rutylowo-kwaśnej; RB elektroda o otulinie rutylowo-zasadowej; RC elektroda o otulinie rutylowocelulozowej; RR elektroda o grubej otulinie rutylowej Oznaczenia spoin BW spoina czołowa (butt weld). FW spoina pachwinowa (fillet weld) 2.3. Sposób wykonania złącza spawanie dwustronne (bs); spawanie jednostronne bez podkładki (ss nb); spawanie jednostronne na podkładce (ss mb); spawanie jednościegowe (tylko dla spoin pachwinowych) (sl), spawanie wielościegowe (tylko dla spoin pachwinowych) (ml). 3. Energia liniowa spawania Energia liniowa spawania (Q) jest miernikiem ilości ciepła potrzebnego do wykonania spoiny. Ilość wprowadzonego ciepła do materiału wpływa na m.in.: a) wartość naprężeń i odkształceń spawalniczych, b) maksymalną szybkość chłodzenia w strefie wpływu ciepła SWC (HAZ), c) kształt i objętość strefy wpływu ciepła, d) objętość przetopionego materiału, e) twardość, udarność oraz inne właściwości mechaniczne złączą, f) przemiany mikrostrukturalne obszarów złączą spawanego. Ciepło wydzielone w procesie spawania powoduje nagrzanie spoiny i warstw materiału spawanego do niej przylegających a także chłodzenie tych miejsc, po przejściu źródła ciepła. Ilość wprowadzanego ciepła oraz szybkość chłodzenia wpływają na własności wytrzymałościowe złącza. Energia liniowa spawania jest podstawowym parametrem doboru warunków spawania (2). 3

4 I U Q k 10 3, kj/mm (2) v sp Q energia liniowa spawania, kj/mm I natężenie prądu, A U napięcie prądu spawania, V vsp prędkość spawania, mm/s k - współczynnik sprawności cieplnej metody spawania, (-) Nr procesu wg PN-EN ISO 4063 Metoda spawania Współczynnik k 121 Spawanie drutem elektrodowym pod topnikiem 1,0 111 Spawanie łukowe elektrodą otuloną 0,8 131 Spawanie metodą MIG 0,8 135 Spawanie metodą MAG 0,8 114 Spawanie drutem proszkowym bez osłony gazowej 0,8 136 Spawanie drutem proszkowym w osłonie gazu aktywnego 0,8 137 Spawanie drutem proszkowym w osłonie gazu obojętnego 0,8 138 Spawanie drutem proszkowym z dodatkiem metalu w osłonie gazu aktywnego 0,8 139 Spawanie drutem proszkowym z dodatkiem metalu w osłonie gazu obojętnego 0,8 141 Spawanie metodą TIG 0,6 15 Spawanie plazmowe 0,6 4. Obliczenia wartości teoretycznej I oraz U Wartości teoretyczne Isp oraz Usp można wyznaczyć w zależności od użytej średnicy elektrody (d) otulonej z następujących wzorów: Isp = (30 40) d (3) Usp = 20+0,04 Isp (4) 5. Urządzenia spawalnicze 5.1. Prostownik spawalniczy tyrystorowy typu SPE-400. Posiada opadającą charakterystykę statyczną, i przeznaczony jest do ręcznego spawania elektrodami otulonymi oraz metodą TIG (elektrodą nietopliwą - wolframową w osłonie argonu). Zakres regulacji prądu spawania zawiera się w przedziale A: Wielkość prądu spawania jest uzależniona od względnego czasu pracy. Praca ciągła /PC/ jest możliwa w zakresie do 240 A. Dla większych prądów udział czasu spawania w całkowitym czasie pracy czyli tzw. współczynnik trwałości obciążenia przedstawia się jak niżej: dla prądu do 260 A - 100% /praca ciągła/ dla prądu do 315 A - 60% /praca PJ60/ dla prądu do 400 A - 35% /praca PJ35/ 4

5 Podstawowe dane techniczne: Napięcie zasilania 3 x 380 V Moc pobierana z sieci przy obciążeniu znamionowym 17,8 kva. Znamionowy prąd spawania 315 A Napięcie stanu jałowego 69 V Ogólny opis budowy: Prostownik skrada się z następujących podzespołów znajdujących się wewnątrz obudowy: stycznik, transformatory: główny i pomocniczy, dławik, prostownik krzemowy tyrystorowo-diodowy z wentylatorem, kaseta układu sterowania z płytką układu funkcji dodatkowych, zabezpieczenia Wyposażenie podstawowe: przewód z wtyczką i uchwytem elektrody o przekroju 50 mm 2 długości 5 m, przewód z wtyczką i imadełkiem o przekroju 70 mm 2 długości 5 m Prostownik inwertorowy typu ESAB CADDY ARC 150i. Jednofazowe urządzenie do spawania metodą MMA, przeznaczone również do spawania metodą TIG. Dostarcza prąd stały umożliwiając spawanie większości metali, w tym stali węglowej, stali nierdzewnej oraz żeliwa. Zakres regulacji prądu spawania zawiera się w przedziale 4-150A. Urządzenie posiada cyfrowy wyświetlacz ustawień. Spawarka spawa większością elektrod o średnicy 1,6-3,2 mm przy zachowaniu stabilnego łuku oraz bezproblemowego zajarzania. Wyposażenie podstawowe: przewód zasilający 3 m z wtyczką 16 A, przewód masowy 3 m, przewód elektrodowy MMA 3 m. uchwyt elektrodowy zacisk masowy Podstawowe dane techniczne: Napięcie zasilania 230V 50/60Hz Bezpiecznik (zwłoczny) 16 A Obciążenie przy 40 o C, MMA 25% cykl pracy 150A 35% cykl pracy 140A 60% cykl pracy 110A 100% cykl pracy 90A Zakres prądu spawania MMA (DC) 4 150A Napięcie jałowe 60-75V VI. Przebieg ćwiczenia Czynności wykonywane podczas części praktycznej ćwiczenia a) Sprawdzenie przygotowania teoretycznego studentów i dopuszczenie do ćwiczeń. b) Przedstawienie celu i zakresu realizowanego ćwiczenia laboratoryjnego. c) Rozpoczęcie ćwiczenia zostanie poprzedzone przypomnieniem przepisów BHP na stanowisku spawania łukowego. 5

6 d) Zapoznanie się ze stanowiskiem spawalniczym oraz budową urządzeń spawalniczych znajdujących się w laboratorium. e) Prowadzący podaje cel ćwiczenia. Proponowane cele ćwiczenia: Analiza wpływu parametrów spawania i napawania na jakość złączy spawanych i powłok napawanych. Proponowane cele szczegółowe: Ocena jakości złączy spawanych na podstawie badań niemieszczących (np. VT) oraz badań niszczących (np. próba łamania, zginania, rozciągania). Ocena jakości procesu złączy spawanych i powłok napawanych. Analiza wpływu parametrów spawania na jakość złącza. Analiza wpływu procesu spawania na obszar strefy wpływu ciepła oraz na właściwości mechaniczne złącza spawanego (np. twardość) oraz mikrostrukturę złącza spawanego oraz napoin. Ocena napoin wytwarzanych z materiałów dodatkowych na osnowie żelaza. f) Studenci uczestniczą w pokazach zajarzania łuku spawalniczego, spawania oraz regulacji parametrów spawania łukowego. g) Instruktor po ustawianiu parametrów spawania, demonstruje wykonanie napoin, złączy spawanych oraz podaje studentom gatunek materiału rodzimego, gatunek spoiwa. h) Studenci dokonują pomiaru prędkości spawania obliczają ilość wprowadzonego ciepła. i) Zgodnie z udzielonym instruktarzem studenci samodzielnie wykonują napoiny i złącza spawane. j) Studenci dokonują pomiaru odkształcenia (strzałka ugięcia) wykonanych złączy spawanych. k) Studenci wykonują pomiary geometrii wykonanych złączy i napoin, identyfikują niezgodności spawalnicze, oceniają jakość złączy (suwmiarka, spoinomierz). l) Studenci pod nadzorem prowadzącego wykonuję próbę łamania złączy, zginania lub rozciągania złączy spawanych przy różnych parametrach spawania. VII. Wytyczne do sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać: 1 Cel ćwiczenia 2 Wstęp teoretyczny 3 Część praktyczna ćwiczenia technologia spawania i napawania 3.1 Projekt złączy i napoin 3.2 Sposób przygotowania elementów do spawania i napawania 3.3 Parametry spawania i charakterystyka realizowanego procesu spawania 3.4 Obliczenia wartości teoretycznej I oraz U w zależności od średnicy elektrody otulonej 4 Wyniki i ich analiza (spawanie) 4.1 Opis czynności wykonanych osobiście podczas ćwiczenia 4.2 Wykonane złącza spawane - identyfikacja niezgodności spawalniczych oraz wymiary spoin 4.3 Próba łamania złączy spawanych 4.4 Próba zginania złączy spawanych 4.5 Badania twardości 4.6 Ocena spawalności materiału rodzimego 4.7 Ocena jakości badanych złączy spawanych 5 Wyniki i ich analiza (napawanie) 5.1 Charakterystyka i geometria wykonanych napoin 5.2 Badanie twardości warstw napawanych 5.3 Technologiczna próba zginania napoin 6 Wnioski Literatura: skrypty, instrukcje, normy, źródła internetowe itp. Wykaz załączników: szkice, rysunki, protokoły z badań, obliczenia itp. 6