CZ.1. Spoina - część złącza, która powstaje ze stopionych. Stopiwo - metal otrzymywany ze stopienia. elektrody.

Transkrypt

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 CZ.1 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. 1

2 Do spoiny przylega strefa wpływu ciepła - SWC. Jest to obszar materiału rodzimego, który nie uległ stopieniu, lecz wzrost temperatury jest na tyle duży, 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 dalej położonym materiale wzrost temperatury jest niższy i nie powoduje przemian strukturalnych. 2

3 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 3

4 Orientacyjna ocena spawalności stali: r /Ekwiwalentna zawartość węgla/ Przy C< 0,3% i C e < 0,5% stal można uznać za dobrze spawalną, jednak należy uwzględnić grubość materiału. Przy C< 0,35% i 0,5 < C e < 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 C e > 0,7% używa się sformułowania, że stal jest warunkowo spawalna /Maksymalna twardość w strefie przyspoinowej nie może przekraczać 350 HV dla stali manganowej kryterium 4

5 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. Podczas spawania - strefa najwyższej temperatury C dotyka przedmiotu (kita płomienia chroni ciekły metal od dostępu powietrza) 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. 5

6 Tlen zasysa acetylen 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 Wady metody: niska jakość uzyskanych połączeń, zarówno pod względem metalurgicznym jak i właściwości mechanicznych, niska wydajność spawania, strefa wpływu ciepła bardzo szeroka, elementy ulegają odkształceniom spawalnym, Grubość blach spawanych 0,4 10 mm 1. Łukowe ręczne 2. Elektronowe 3. W gazach 4. Żużlowe 5. Pod topnikiem 6. Plazmowe 7. Atomowe Spawanie elektryczne 6

7 Spawanie elektryczne łukowe Przy spawaniu łukowym, z zasady element spawany włączony jest w obwód elektryczny. Stanowi jeden z biegunów /anoda/. Drugim biegunem jest elektroda /katoda/. Obwód elektryczny zamyka łuk elektryczny jarzący się między elektrodą i przedmiotem spawanym. Jest głównym 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 pod wpływem wysokiej temperatury. Cząsteczki gazów i par topionych metali oraz składników otuliny rozpadają się na dodatnio naładowane jony i elektrony. Jony dodatnie przyciągane są przez katodę, a elektrony przez anodę. Dzięki temu łuk elektryczny staje się dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. W łuku można wyróżnić wąski, stożkowy słup plazmy, usytuowany w jego osi i osłonę łuku. Głównym przewodnikiem prądu w łuku jest słup plazmy i jest to strumień silnie zjonizowanych cząsteczek. 7

8 Do produkcji elektrod stosuje się: Surowce mineralne ( np. rudy żelaza, manganu, tytanu, glinokrzemiany, węglany wapnia, fluoryt ) Żelazostopy ( żelazomangan, żelazokrzem, żelazochrom ) 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: Masa otulinowa: wodne surowce mineralne, rozdrobnione żelazostopy, szkło 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. Otulina zabezpiecza: Przy elektrodach o otulinie celulozowej większość masy otuliny paruje pod wpływem ciepła. Niewielka część topiącej się otuliny dociera do spoiny. Warstwa żużla na spoinie jest cienka. Elektrody te zalecane są 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. TiO 2 - dwutlenek tytanu ). Ze względu na dużą zawartość wodoru nie są zalecane do spawania stali wysokowytrzymałych. Konstrukcje stalowe o podwyższonej wytrzymałości spawa się elektrodami o otulinie zasadowej. Głównym składnikiem otuliny jest węglan i fluorek wapnia. 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. 8

9 W zależności od przeznaczenia rozróżniamy elektrody następujących rodzajów: Elektrody nietopliwe do spawania stali: elektrody do spawania stali konstrukcyjnych niskowęglowych, niskostopowych, produkowanych w różnych 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 do żeliwa, elektrody do spawania i napawania metali nieżelaznych. 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 atmosferze gazów obojętnych ( argonu, helu), wolframowe do spawania w atmosferze wodoru lub argonu i helu AUTOMATYCZNE SPAWANIE ŁUKIEM KRYTYM ( pod topnikiem ) 9

10 Mechanizm podawania drutu elektrodowego + kaseta z elektrodą + zbiornik topnika umieszczone są na wózku napędzanym silnikiem elektrycznym. Umożliwia to przesuw urządzenia spawającego wzdłuż spoiny Zalety: Nie widać łuku ( bezpieczne spawanie ), Łatwa automatyzacja; Wysoka jakość spoiny, Duża wydajność i oszczędność Wada: ograniczenie pozycji spawania (pozycja podolna lub naboczna) SPAWANIE W OSŁONIE Z CO 2 ( MAG ) (gaz aktywny) Osłona gazowa pozwala na obciążenie elektrody prądem o bardzo wysokim natężeniu, Jako spoiwo stosuje się cienkie druty : 1,2; 1,6; 2,0; 2,4 Szybkie topienie drutu - posuw drutu ok m/min, Łuk w osłonie z CO 2 charakteryzuje się bardzo głębokim wtopem CO 2 CO + O 2 Aby przeciwdziałać utlenianiu metalu spoiny stosuje się spoiwo o dużej zawartości krzemu i manganu Tlenki krzemu i manganu tworzą 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 stali zwykłej ( karoserie samochodów ) 10

11 SPAWANIE W OSŁONIE Z GAZÓW OBOJĘTNYCH MIG Zastosowanie : Spawanie stali wysokostopowych oraz metali lekkich: aluminium i jego stopy Gazy obojętne: hel, argon Osłona gazowa chroni łuk od dostępu powietrza i podwyższa jego temperaturę Spawanie bez topników 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, wysoka jakość spoin, Minimalna grubość blach 4 mm 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 o szczególnych cechach, np. stale nierdzewne, kwasoodporne i do stopów metali nieżelaznych. SPAWANIE W OSŁONIE Z GAZÓW OBOJĘTNYCH TIG 11

12 Półautomatyczne lub automatyczne Spawanie z podawaniem spoiwa, topionego w łuku jednocześnie z metalem rodzimym. Elektrody: Wolframowe ( z czystego sproszkowanego wolframu, spiekanego w wysokich temperaturach w atmosferze wodoru ) Wolframowe z domieszką ok. 1% dwutlenku toru ThO 2, ( mogą być bardziej obciążone prądem, wolniej się zużywają ) Zalety: Spoiny bardzo wysokiej jakości, 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 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 mm. W miejscu spawania przestrzeń między brzegami blach zamknięta jest nakładkami miedzianymi (suwakami), chłodzonymi wodą. 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 Do tak ograniczonej przestrzeni dopływa drut elektrodowy i dosypywany jest drobnymi porcjami topnik. Stopiony żużel utrzymuje się na powierzchni jeziorka płynnego metalu. Spawanie odbywa się 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). 12

13 SPAWANIE ELEKTRONOWE SPAWANIE ELEKTRONOWE Źródłem ciepłem strumień elektronów emitowany przez katodę (wolfram, tantal) duża zdolność emisji elektronów w wysokiej temperaturze Elektrony skupione w wąski strumień poruszają się z prędkością do km/s Ciśnienie w komorze roboczej - od ok. 1, Pa (spawarki o wysokiej próżni) Wiązka o gęstości mocy w zakresie kw/mm 2 Parametry spawania elektronowego: napięcie przyspieszające wiązkę elektronów U= kv natężenie prądu wiązki elektronów I = 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. SPAWANIE PLAZMOWE ( z łukiem zawężonym) Przetopienie do głębokości ok. 300 mm 13

14 Źródłem ciepła stapiającym metal jest łuk plazmowy, tzn. mechanicznie zawężony przez dyszę łuk elektryczny, jarzący się w zjonizowanym gazie, którym jest najczęściej argon. W warunkach zawężonego łuku a więc wysokiej gęstości przewodzącego prądu i dużej koncentracji ciepła strumień doprowadzonego do dyszy gazu ulega dalszej silnej jonizacji, w wyniku której 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 spawalniczego łuku plazmowego wynosi ok C Oprócz gazu plazmowego stosowany jest również gaz ochronny. Spawanie przy natężeniach prądu od ok. 0,01 do ok. 30 A nosi nazwę mikroplazmowego. Zalety: wysoka stabilność kierunkowa zogniskowanego łuku (kąt rozwarcia łuku nie przekracza 7 0 ) niezależność kształtu łuku od zmiany odległości palnika od spawanego przedmiotu, możliwość regulacji energii liniowej łuku wysoka sprawność łuku Spawa się 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. Do celów spawalniczych stosuje się lasery stałe z elementem czynnym krystalicznym (np. rubin) oraz szklanym (szkło optyczne ). Dokładnie przygotowane złącza pod względem mechanicznym i wymiarowym 14

15 Wady spoin: 1. niedostateczna grubość spoiny, 2. zbyt grube nadlewy, 3. zanieczyszczenie spoiny żużlem, 4. porowatość spoiny (pęcherze), 5. niewłaściwy przetop, 6. rysy i pęknięcia, 7. przyklejenie spoiny 15