1. WSTĘP. Konstrukcje Metalowe Laboratorium

Transkrypt

1 1. WSTĘP Spawanie - proces łączenia materiałów przez nadtopienie krawędzi łączonych elementów w wyniku przesuwania skupionego źródła ciepła, dodanie stopiwa oraz jego krystalizację (zastyganie). Pod względem konstrukcyjnym cechą charakterystyczną konstrukcji spawanych jest łączenie bez potrzeby stosowania elementów dodatkowych i brak otworów na elementy złączne. Przykład konstrukcji nitowanej duża pracochłonność wykonania 1885 r. M. Bernardos i S. Olszewski opatentowali metodę łączenia metali łukiem elektrycznym (elektroda węglowa); 1888 r. Sławianow stosuje elektrodę metalową; 1908 r. Kjellberg wprowadza spawanie elektrodą metalową otuloną; 1927 r. prof. Stefan Bryła: pierwsze i jedyne w świecie do 1930 r. przepisy projektowania i wykonywania konstrukcji spawanych w budownictwie; 1928 r. prof. Stefan Bryła: pierwszy na świecie spawany most drogowy rz. Słudwią pod Łowiczem. -1-

2 2. METODY SPAWANIA A. Spawanie gazowe Źródłem ciepła jest płomień powstający w wyniku spalania się mieszanki acetylenu z tlenem. Spoina powstaje z dodatkowo stapianego w płomieniu pręta oraz nadtopionych brzegów materiału rodzimego. Tlen z butli (150 MPa, niebieska) reduktory ciśnienia (1 MPa) przewody palnik Acetylen C 2 H 2 z wytwornic (karbid +woda) ) bezpiecznik wodny; lub butli (1.5 MPa, żółta) przewody palnik Metody spawania: - spawanie w lewo (a) - spawanie w prawo (b) Zestaw urządzeń stacjonarnych do spawania gazowego Butla do acetylenu Zakres stosowania: Spawanie gazowe jest wypierane przez spawanie elektryczne i ogranicza się do: łączenia cienkich blach łączenia metali nieżelaznych cienkościennych rur w warunkach montażowych (instalacje sanitarne). Grubość elementów łączonych tą metodą nie przekracza 8 mm. -2-

3 B. Ręczne spawanie łukowe elektrodą otuloną Źródłem ciepła jest łuk elektryczny (stałe wyładowanie elektryczne o małym napięciu, ok V i dużym natężeniu prądu) stapiający elektrodę i nadtapiający krawędzie elementów łączonych. Metal z elektrody stopiony z materiałem spawanych części po zakrzepnięciu tworzy spoinę. Jest to najbardziej popularna technika spawania. Otulina stapiając się z elektrodą: Jonizuje powietrze polepszając przewodność elektryczną przestrzeni łukowej; Wytwarza osłonę gazową dla kropli metalu przelatujących przez łuk i jeziorka ciekłego metalu; Tworzy warstwę żużla na powierzchni ciekłego jeziorka i krzepnącego metalu spoiny; Wprowadza do spoiny odtleniacze, pierwiastki wiążące azot oraz ewentualnie składniki stopowe (regulacja składu chemicznego). Elektrody do spawania ręcznego: średnice od mm i długości 250, 300, 350 i 450 mm w zależności od średnicy. - podział ze względu na grubość otuliny -3-

4 - podział ze względu na rodzaj otuliny: kwaśne; duża zawartość tlenków żelaza, manganu i krzemu. Nadają się do spawania we wszystkich pozycjach przy użyciu prądu stałego i zmiennego. Własności mechaniczne stopiwa są wystarczająco dobre. rutylowe; duża zawartość tlenku tytanu (rutylu) TiO 2. Charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami spawalniczymi. Lico spoiny powstałe po użyciu elektrody rutylowej jest gładkie, żużel daje się bardzo łatwo usunąć. Nadają się do spawania we wszystkich pozycjach przy użyciu prądu stałego jak i zmiennego. zasadowe; otulina zawiera węglany wapnia i magnezu oraz fluoryt. Nadają się do spawania we wszystkich pozycjach przy załączeniu elektrody do bieguna dodatniego (prąd stały). Spoiny wykonane tymi elektrodami mają bardzo dobre własności mechaniczne, szczególnie własności plastyczne (wysoka udarność przy niskich temperaturach i tym samym odporność na kruche pękanie). Przyczepność żużla duża. Duża wrażliwość otuliny elektrody na zawilgocenie. celulozowe, cyrkonowe, fluorkowe itd. Natężenie prądu spawania dobiera się w zależności od rodzaju elektrody, jej średnicy, pozycji spawania i techniki układania ściegów. Oznaczenia elektrod: - wg klasyfikacji polskiej: ER wg klasyfikacji ISO 2560: E 432 R 11 elektroda typ otuliny: A kwaśna, B-zasadowa, R- rutylowa, C-celulozowa typ elektrody dla danego rodzaju otuliny minimalna wytrzymałość [kg/mm 2 ] E elektroda, pierwsza cyfra w pierwszym członie minimalna wytrzymałość stopiwa na rozciąganie, druga minimalne wydłużenie, trzecia minimalna udarność w temp. +20 C (wartości są zakodowane). Druga litera rodzaj otuliny, pierwsza cyfra drugiego członu pozycja spawania, ostatnia cyfra - biegunowość lub rodzaj prądu. Urządzenia do spawania łukowego: Transformatory spawalnicze; Przetwornice spawalnicze; Prostowniki spawalnicze; -4-

5 C. Spawanie łukiem krytym Źródłem ciepła łuk elektryczny jarzący się pod warstwą topnika. Topnik po przejściu w stan ciekły pod wpływem ciepła łuku tworzy żużlowo - topnikową czaszę, wypełnioną gazami i parami metali, osłaniającą łuk jak i jeziorko ciekłego metalu. Proces spawania jest automatyczny zarówno podawanie elektrody jak i jej przesuw urządzenia spawalniczego odbywają się mechanicznie, bez bezpośredniej ingerencji spawacza. Nie ma rozprysku metalu, łuk jest niewidoczny; Ciekły żużel stanowi dokładną ochronę jeziorka ciekłego metalu przed dostępem gazów z atmosfery; Dzięki większym natężeniom prądu i mniejszym stratom ciepła (topnik otula łuk) głębokość wtopienia jest większa niż przy spawaniu ręcznym; Mniejsza prędkość odprowadzania ciepła ze złącza; Spawanie tylko w warunkach warsztatowych. Spawanie jest automatyczne, przeprowadzane z dużą szybkością. Do spawania nadają się głównie elementy długie. Ograniczeniem tego procesu jest oddziaływanie siły grawitacji na sypki topnik i bardzo rzadkopłynne jeziorko spoiny spawanie odbywa się przeważnie w pozycji podolnej lub nabocznej. -5-

6 D. Spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonie gazów ochronnych Elektrodą jest drut odwijany ze szpuli. Jarzący łuk nadtapia wysuwaną elektrodę i brzegi elementu spawanego. Jeziorko ciekłego metalu jest osłonięte tylko strumieniem gazu ochronnego. Najbardziej popularne jest używanie półautomatu spawalniczego (zmechanizowany wysuw drutu, układanie spoiny natomiast jest ręczne). MIG Metal Inert Gas (osłona obojętna, głównie argon) MAG Metal Active Gas (osłona aktywna chemicznie CO 2 ) Ograniczenie stosowania kosztownych elektrod otulonych; Uniknięcie przerw na wymianę elektrody; Nie trzeba usuwać żużla (nie ma niebezpieczeństwa zażużlenia spoiny); Zwiększenie (ok. dwukrotne) szybkości spawania głównie przez szybkie i ciągłe podawanie drutu; Grubość połączeń wykonywanych tą metodą zwykle nie przekracza 20 mm; Spawanie głównie w warunkach warsztatowych. -6-

7 E. Spawanie elektrożużlowe Spawanie elektrożużlowe umożliwia tworzenie złączy o dużej grubości (t>40 mm) w pozycji pionowej i w jednym przejściu. Odpowiednia ilość ciepła w tej metodzie jest wytwarzana jest przez przepływ prądu elektrycznego przez kąpiel żużlową. 1. drut elektrodowy; 2. podajnik drutu; 3. kąpiel żużlowa; 4. jeziorko spoiny; 5. spoina; 6. topnik; 7. przesuwna nakładka formująca spoinę; 8. spawane elementy. Spoiny wykonuje się automatycznie w pozycji pionowej Jedna z najbardziej ekonomicznych metod spawania w produkcji grubych elementów F. Spawanie elektronowe Źródłem ciepła jest strumień elektronów emitowany przez katodę wykonaną z np. wolframu. Najczęściej proces spawania odbywa się w komorze próżniowej. Metoda służy do łączenia metali trudno topliwych lub aktywnych chemicznie: wolfram, molibden, tytan, niob i beryl. G. Spawanie plazmowe Źródłem ciepła jest strumień plazmy (strumień silnie zjonizowanego wyładowaniem elektrycznym gazu, dodatkowo zwężonego mechanicznie). Temperatura plazmy wynosi ok C. Najczęściej zjonizowanym gazem jest argon. Spawanie może odbywać się przy użyciu elektrody nietopliwej bądź topliwej. H. Spawanie laserowe Źródłem ciepła jest promień laserowy (wiązka promieniowania długości fali o dużej gęstości energii). świetlnego o jednakowej -7-

8 3. TECHNOLOGIA I TECHNIKA SPAWANIA A. Elementy złącza i spoiny: Kąt ukosowania Kąt rowka Gardziel rowka Próg rowka Odstęp Lico spoiny Strefa wpływu ciepła Brzeg spoiny Materiał rodzimy Strefa wtopienia Grań spoiny B. Pozycje spawania: Trudności układania spoiny rosną bardzo szybko wraz z odchylaniem się jej od pozycji podolnej. -8-

9 C. Rodzaje złączy spawanych: Rodzaj złącza Doczołowe Rodzaj spoiny w złączach a) czołowa b) czołowa niepełna Kształt złącza Teowe a) pachwinowa b) czołowa c) czołowa niepełna d) otworowa Krzyżowe a) pachwinowa b) czołowa c) czołowa niepełna Kątowe a) pachwinowa b) czołowa Zakładkowe a) pachwinowa b) otworowa Przylgowe a) brzeżna b) grzbietowa -9-

10 D. Rodzaje spoin i przygotowanie krawędzi do spawania -10-

11 4. PROCESY FIZYKOCHEMICZNE ZACHODZĄCE PRZY SPAWANIU A. Tworzenie się i krystalizacja spoin Podczas spawania metal jest nagrzewany punktowym, przemieszczającym się źródłem ciepła, które powoduje powstanie pola temperatur. Rozkład temperatur zależny jest od mocy źródła ciepła i szybkości jego przesuwu. Quasi stacjonarne pole temperatur przy spawaniu doczołowym blachy grubości 10 mm. Krzepnięcie spoiny bardzo szybkie (mała objętość jeziorka stopionego metalu, szybkie odprowadzanie ciepła). Strefy powstałe pod wpływem ciepła wydzielającego się podczas spawania: 1. strefa pełnego przekrystalizowania 2. strefa częściowego przekrystalizowania 3. strefa odpuszczenia i rekrystalizacji. W stalach niskowęglowych może występować zjawisko starzenia, powodujące obniżenie własności plastycznych oraz wzrost kruchości stali. -11-

12 Szerokość poszczególnych stref zależy od: metody spawania parametrów spawania i może zmieniać się w szerokich granicach. Orientacyjnie szerokość strefy przemian strukturalnych wywołanych spawaniem (strefy wpływu ciepła SWC (HAZ)) przy prawidłowym przebiegu spawania osiąga: 2 mm spawanie w osłonie CO 2 ; 4 mm spawanie łukiem krytym; 6 mm spawanie elektrodami otulonymi; 25 mm spawanie gazowe. B. Tworzenie się żużli. C. Powstawanie osłony gazowej łuku. D. Reakcje utleniania się metali, redukcji tlenków, wprowadzanie domieszek, rozpuszczenie się gazów w spoinie. Przed spawaniem brzegi łączonych elementów powinny być starannie oczyszczone z zanieczyszczeń: smary, farby, powłoki metaliczne i wilgoć (negatywny wpływ na własności spoiny i toksyczne opary powstające podczas spawania). Elektrody przed spawaniem powinny być suszone. Zależność wytrzymałości doraźnej R m materiału spoiny wykonanej elektrodami: 1- zasadowymi wysuszonymi, 2 zawilgoconymi Miejsce spawania powinno być osłonięte przed wpływami atmosferycznymi (śnieg, deszcz, wiatr). -12-

13 5. SPAWALNOŚĆ STALI Spawalność można określić jako cechę, która w określonych warunkach, przy zastosowaniu odpowiedniej techniki spawania, pozwala na uzyskanie połączeń o żądanej niezawodności. Na pojęcie spawalności konstrukcji składają się właściwości: Materiału (skład chemiczny, kategoria wytrzymałości i odmiana plastyczności, anizotropia struktury); Procesu technologicznego (materiały dodatkowe, obróbka brzegów, proces cieplny, sposób i warunki spawania); Rozwiązania konstrukcyjnego (grubość materiału, rodzaj połączeń, sztywność konstrukcji, temperatura użytkowania). Wskaźniki oceny spawalności: Najbardziej rozpowszechniony tzw. równoważnik węgla: C E Mn Cr Mo V Cu Ni C [%], Ce, % Spawalność utrudniona: - wstępne podgrzewanie - ograniczenie energii liniowej. Spawalność łatwa gdy C<0.20% i t>4 C Grubość, mm Stale niskowęglowe: Stale niskowęglowe St2S, St3S i St4S spełniają kryterium łatwej spawalności. Stale St5, St6 i St7 ze względu na wysoką zawartość węgla nie są stosowane na konstrukcje spawane. W normalnych warunkach stale niskowęglowe nie wymagają specjalnych zabiegów przed lub podczas spawania. W temperaturach ujemnych obowiązują ograniczenia, które podano niżej. Materiał Grubość materiału g [mm] > 0 C 0-10 C 0-10 C * Blachy i kształtowniki dowolna Rury dowolna * - z podgrzaniem materiału do temperatury 450 C. Stale niskowęglowe: Spośród tych stali kryterium wartości równoważnika węgla spełnia tylko stal 10G2ANb. W celu zapewnienia łatwej spawalności pozostałym gatunkom stali niezbędne jest ograniczenie składników stopowych lub stosowanie odpowiedniej technologii spawania (łukowe elektrodami zasadowymi, automatycznie łukiem krytym lub w osłonie gazów ochronnych) w temp. t 4 C lub wstępne podgrzewanie stali. -13-

14 6. NAPRĘŻENIA I ODKSZTAŁCENIA SPAWALNICZE Naprężenia i odkształcenia spawalnicze wynik odkształceń plastycznych wywołanych nierównomiernym rozszerzaniem się i kurczeniem metalu pod wpływem ciepła spawania. Część blachy nieaktywna +R e +R e s s=re Część blachy aktywna T T -R e -R e A. Przykładowe rozkłady naprężeń własnych po spawaniu: -14-

15 B. Rodzaje odkształceń spawalniczych: a) skrócenia podłużne i poprzeczne; b) wygięcia wzdłużne; c) wygięcia kątowe; d) wybrzuszenia i zwichrowania -15-

16 7. ZASADY KONSTRUOWANIA POŁĄCZEŃ SPAWANYCH Należy unikać nadmiernego skupienia spoin; Spoiny powinny być dostępne podczas wytwarzania elementu; Spoiny powinny być dostępne podczas eksploatacji; Należy unikać stosowania spoin w strefie zgniotu; Należy unikać stosowania spoin w wewnętrznych narożach kształtowników walcowanych na gorąco; Należy unikać stosowania spoin pachwinowych większej grubości niż jest to uzasadnione obliczeniem; 0.2 t 2 a 0.7 t 1 a 2a -16-