ĆWICZENIE NR 4 Temat: SPAWANIE ŁUKOWE ELEKTRODĄ OTULONĄ 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zaznajomienie studentów ze specyfiką elektrycznego spawania ręcznego oraz z doborem podstawowych parametrów procesu i z wyposażeniem stanowiska spawalniczego oraz obowiązującymi zasadami BHP. 2. Wiadomości uzupełniające Spawalnictwo metali jest to dział technologii obejmujący procesy spajania, tzn. trwałego łączenia metali. Metal części łączonych, zwany metalem rodzimym, jest spajany za pośrednictwem metalu dodanego do złącza, zwanego spoiwem. Metal rodzimy w połączeniu ze spoiwem daje stopiwo, które po zakrzepnięciu tworzy spoinę. Spawanie polega na łączeniu części, podczas którego następuje nadtopienie materiału rodzimego. W przypadku spawania łukowego elektrodą otuloną, źródłem ciepła jest łuk elektryczny, a spoiwem drut stanowiący elektrodę pokryty warstwą topników, zwaną otuliną. Jej zadaniem jest ułatwienie jarzenia się łuku i poprawienie własności mechanicznych powstałego złącza. Rys. 1 przedstawia stanowisko do ręcznego spawania łukowego. Rys. 1. Stanowisko do ręcznego spawania łukowego: 1 przewód doprowadzający prąd do elektrody; 2 uchwyt elektrody; 3 przewód doprowadzający prąd do przedmiotu; 4 zacisk; 5 przedmiot spawany; 6 tarcza ochronna; 7 elektroda. Na rys. 2 pokazany jest proces spawania elektrodą otuloną. Pomiędzy elektrodą (1) a przedmiotem spawanym (8) jarzy się łuk elektryczny. Pod elektrodą tworzy się jeziorko ciekłego metalu (4) zasilane drobniutkimi kropelkami metalu wytryskującego z elektrody. Otulina (2) przetwarza się częściowo w gazy formujące wokół łuku osłonę gazową (3) oraz ciekły żużel (5), który wypływa na powierzchnię jeziorka i po zastygnięciu spoiny tworzy na niej kruchą skorupę. 1
Rys. 2. Schemat spawania elektrodą otuloną: 1 rdzeń elektrody; 2 otulina; 3 osłona gazowa; 4 jeziorko metalu; 5 płynny żużel; 6 żużel zastygły; 7 spoina; 8 przedmiot spawany. 2.1. Łuk elektryczny W celu zajarzenia łuku przedmiot spawany dotyka się elektrodą; zamyka się obwód prądu elektrycznego, a ponieważ rezystancja jest największa na styku, następuje rozgrzanie końca elektrody. Przy lekkim podniesieniu elektrody powstaje łuk elektryczny. Aby łuk mógł powstać, warstwa powietrza na drodze prądu musi ulec zjonizowaniu. Ponadto konieczne jest odpowiednie napięcie zapłonowe. Dla prądu stałego wynosi ono 40 50 V, a dla prądu przemiennego 50 90 V. W łuku elektrycznym można wyróżnić trzy strefy (rys. 3): a) strefę katodowego spadku napięcia, którą jest przestrzeń sąsiadująca bezpośrednio z katodą, będącą źródłem elektronów wywołujących jonizację gazów w przestrzeni międzyelektrodowej; b) strefę anodowego spadku napięcia, w której następuje przyspieszanie elektronów oddających swoją energię anodzie i powodującą jej topienie; c) słup łuku przestrzeń w postaci plazmy złożonej z jonów i elektronów, która współdziała w przenoszeniu spoiwa na przedmiot spawany. Rys. 3. Łuk elektryczny: 1 elektroda; 2 przedmiot spawany; 3 jeziorko metalu; 4 słup łuku; 5 strefa katodowego spadku napięcia; 6 strefa anodowego spadku napięcia. Temperatura w łuku elektrycznym jest uzależniona od rodzaju prądu i jego biegunowości. Przy prądzie stałym temperatura anody wynosi około 3300 K, a katody około 2800 K. Przy prądzie przemiennym temperatura na obu elektrodach jest jednakowa i wynosi ok. 3000 K. Temperatura słupa łuku jest znacznie wyższa i w centralnej jego części może przekraczać 5000 K. Długość łuku wpływa na zmianę napięcia i natężenia prądu. Wydłużenie łuku powoduje zwiększanie napięcia i spadek natężenia prądu płynącego przez łuk. Charakterystykę statyczną łuku określającą 2
zależność określającą zależność napięcia od natężenia prądu w kolejnych fazach jarzenia się łuku przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Charakterystyka styczna łuku: Z punkt zajarzenia łuku; U napięcie zajarzenia; I z natężenie zajarzenia; KX linia stałego napięcia. Po okresie zwarcia elektrody, gdy rozżarzony jej koniec zostanie oderwany od przedmiotu (punkt Z), napięcie jest duże, zaś natężenie łuku niewielkie. Gdy łuk się zajarza, napięcie gwałtownie spada, zaś natężenie prądu wzrasta (odcinek ZK). Spowodowane jest to znacznym wzrostem temperatury, a tym samym zwiększeniem stopnia jonizacji przestrzeni międzyelektrodowej. Po przekroczeniu wartości I k napięcie utrzymuje się na stałym poziomie U o, niezależnie od wahań natężenia prądu i wynosi około 25 30 V. Do własności łuku elektrycznego należą jego ugięcie i elastyczność, ugięcie łuku elektrycznego występuje przy spawaniu prądem stałym. Przyczyną tego zjawiska jest nierównomierny rozkład sił pola magnetycznego wokół łuku, który ugina się w kierunku rozrzedzenia sił pola magnetycznego(rys. 5). Przy prądzie stałym wielkość ugięcia wzrasta ze wzrostem natężenia prądu. Przy spawaniu prądem przemiennym ugięcie łuku jest niewielkie, ponieważ przemienne pole magnetyczne wytwarza przemienne prądy wirowe, które przeciwdziałają ugięcie łuku. Łuk elektryczny oprócz ugięcie posiada jeszcze tzw. elastyczność. Jest to zdolność wydłużania się łuku bez gaśnięcia. Elastyczność łuku zależy od napięcia biegu jałowego, natężenia prądu spawania, rodzaju otuliny oraz przewodności cieplnej i elektrycznej spawanego materiału. Rys. 5. Ugięcie łuku pod wpływem pola magnetycznego. 3
2.2. Przepływ spoiwa Przepływ stopionej kropli metalu elektrody do spawanego przedmiotu możliwy jest w wyniku następujących w czasie jarzenia się łuku zjawisk fizycznych związanych z: a) napięciem powierzchniowym stopionego metalu; b) siłami ciężkości działającymi na kroplę spoiwa; c) siłami hydrodynamicznymi; d) siłami elektromagnetycznymi. Pole magnetyczne, wytworzone przez prąd wokół elektrody, wyciska metal topiony wzdłuż jej osi w kierunku jeziorka. Siły magnetyczne starają się zmniejszyć przekrój elektrody. Zwężenie może nastąpić jednak tylko na jej końcu, gdzie metal ulega zmiękczeniu pod wpływem ciepła łuku. W przekroju zwężonym natężenie jednostkowe prądu jest największe i tu występują największe siły ściskające, proporcjonalne do kwadratu natężenia. Ponieważ w przedmiocie spawanym gęstość prądu jest bardzo mała, wielkość sił magnetycznych na powierzchni kropli od strony jeziorka maleje do zera, dzięki czemu są one wyrzucane tylko w jednym kierunku, od elektrody ku jeziorku na przedmiocie. Jak wykazały badania, przy średnicy elektrody 5 mm i natężeniu prądu 200 A, siły wyciskające krople są znacznie większe niż przeciętny ciężar kropli. Ponadto w wysokiej temperaturze łuku niektóre składniki metalu i otuliny parują; tworzą się również dość obficie gazy, które rozprężając się gwałtownie pod wpływem ciepła wyrzucają wiszące na końcu elektrody kropelki w kierunku osi elektrody. Siły te umożliwiają przenoszenie metalu z elektrody na przedmiot we wszystkich kierunkach, również z dołu do góry przy spawaniu nad głową spawacza. W podtrzymaniu ciekłego metalu dużą rolę odgrywa również napięcie powierzchniowe. Nie wszystkie krople wyrzucane z końca elektrody trafiają do jeziorka. Nadmierne rozpryskiwanie się kropel topiącej się elektrody jest powodem strat metalu i wywołuje jego utlenianie. Zjawisko takie świadczy najczęściej o zbyt długim łuku lub o tym, że metal elektrody zawiera niepożądane zanieczyszczenia. Napór strumienia metalu z elektrody w kierunku jeziorka (podmuch łuku) widoczny jest przy spawaniu poziomym; gdy nagle oderwie się elektrodę do góry, zastygające jeziorko metalu ma wyraźne wgłębienie, zwane kraterem. 2.3. Budowa i struktura złącza spawanego Złącze spawane obejmuje następujące elementy: spoinę, strefę wpływu cieplnego (SWC) i materiał rodzimy. Spoina jest fragmentem złącza spawanego, w którym bezpośrednio odbywa się proces topienia podłoża oraz tworzenie stopu zawierającego spoiwo i materiał rodzimy. Wyróżnić w niej można: a) lico spoiny, czyli powierzchnię nadlewu powstałego z nadmiaru spoiwa; b) grań spoiny, czyli powierzchnię powstałą z wypływu stopionego spoiwa przez szczelinę złącza; c) strefę wtopienia, czyli tzw. wtop. 4
Rys. 6 przedstawia schematyczny obraz przekroju poprzecznego spoiny czołowej. Strefę wpływu ciepła jest to obszar leżący wokół spoiny, w którym można zaobserwować zmiany strukturalne zachodzące w materiale rodzimym w wyniku cieplnego oddziaływania procesu. Rys. 6. Elementy spoiny czołowej: 1 lico; 2 nadlew; 3 grań; 4 wtop; 5 brzeg. Zmiany strukturalne, które zachodzą w SWC przy spawaniu stali niskowęglowych, rozpatrzone na podstawie uproszczonego wykresu żelazocementyt, przedstawiono na rys. 7. Na wykresie żelazo-cementyt zawartość węgla rozpatrywanej stali oznaczono linią pionową. Na linii tej wydzielono odcinki, na których występują określone zmiany strukturalne. Rys. 7. Budowa strukturalna złącza spawanego dla stali niskowęglowej. Zależnie od temperatury, od której metal został podgrzany wyróżniamy: a) obszar częściowego roztopienia, odpowiadający nagrzaniu w granicach początku i końca topnienia, odpowiadający nagrzaniu w granicach początku i końca topnienia. Zanieczyszczenia metalu łatwiej topliwe niż sam metal, mają w zakresie tych temperatur tendencje do wydzielania się i tworzenia większych skupień, co wpływa bardzo niekorzystnie na tę warstwę, która wiąże metal rodzimy ze spoiwem. b) obszar przegrzania o strukturze gruboziarnistej, która nie wpływając w większym stopniu na wytrzymałość, obniża znacznie ciągliwość i udarność metalu. W strefie tej mogą występować pęknięcia tym łatwiej, im więcej węgla zawiera stal, bardziej jest podatna na hartowanie i im szybciej przebiegało stygnięcie metalu. 5
c) obszar normalizacji, charakteryzujący się rozdrobnieniem ziarna, co wpływa dodatnio na własności plastyczne metalu. d) obszar niezupełnego przekrystalizowaniu o strukturze niejednorodnej, częściowo tylko ulepszonej; grupki drobnych ziaren. jako produkt częściowego wyżarzania, otaczają grube kryształy, które nie przeszły procesu rozdrobnienia. e) w stali miękkiej, ogrzanej do temperatury niższej niż 998 K (725 C) występują tylko niewielkie zmiany struktury i własności mechanicznych: pas metalu, który stygnie z temperatury 723 998 K (450 C 725 C) chara kteryzuje się pewnym rozrostem ziarn metalu, rozdrobnionych uprzednio przez zgniot w operacji walcowania; dzięki wyżarzaniu metal zyskuje wyższą ciągliwość. W odlewach obszar ten nie istnieje. f) obszar stygnący od temperatury 773 K (500 C) i niższej nie wykazuje żadnych zmian struktury. W czasie stygnięcia przechodzi jednak przez temperaturę tzw. niebieskiego nalotu, gdy stal staje się krucha. Jeżeli w tym momencie naprężenia skurczowe osiągną dużą wartość, mogą wystąpić pęknięcia. Ponieważ wśród obszarów strefy wpływu ciepła tylko obszar normalizacji ma lepsze własności mechaniczne niż przed spawaniem, należy dążyć do ograniczenia szerokości tej strefy. Przy spawaniu acetylenowym jest ona znacznie większa (do 20 mm) niż przy spawaniu łukowym (1 2 mm). Przy spawaniu automatycznym łukiem krytym strefa ta jest większa (poniżej 1 mm) niż przy spawaniu ręcznym. Zwiększenie mocy płomienia lub natężenia prądu zwiększa szerokość strefy nagrzania, natomiast większa szybkość spawania zmniejsza ją. Dlatego przy spawaniu łukowym krytym, choć natężenie prądu jest bardzo wysokie, strefa ogrzewania jest bardzo wąska i obszar przegrzania prawie nie istnieje. Z drugiej strony im węższa jest strefa wpływu ciepła, tym szybszy jest spadek temperatury w pasie przyspoinowym i tym wyższe są naprężenia wewnętrzne. W stalach hartujących się im strefa wpływu ciepła jest węższa, tym łatwiej występuje możliwość podhartowania się metalu tuż obok spoiny; dlatego przy tego rodzaju spawania metali stosuje się podgrzewanie podczas spawania, a czasami także po spawaniu, by zmniejszyć różnicę temperatur i szybkość stygnięcia. Przy szerszej strefie wpływu ciepła wprowadza się więcej ciepła do metalu spawanego i tym samym naprężenia spawalnicze są mniejsze, natomiast gdy obejmują większy obszar, wywołują większe odkształcenia, co szczególnie przy cienkich elementach może być bardzo niepożądane. 2.4. Elektrody otulone. W skład otuliny wchodzą różnego rodzaju składniki: a) jonizujące tlenki sodu, potasu i tytanu, kreda, marmur; b) gazotwórcze kreda, marmur, celuloza, skrobia; c) żużlotwórcze rudy żelaza (magnetyt, hematyt), mangan, tytan, dolomit, marmur, kreda; 6
d) odtleniające i odgazowujące jeziorko płynnego metalu oraz regulujące skład chemiczny stopiwa żelazostopy magnezu, krzemu, molibdenu, kobaltu i tytanu; e) wiążące masę otuliny szkło wodne sodowe i potasowe. W procesie spawania otulina spełnia zadania następujące: obniża potencjał jonizujący przestrzeni łukowej, czyli ułatwia zajarzenie łuku; polepsza stabilność i elastyczność łuku; gazy powstałe w wyniku spalania lub rozkładu składników otuliny chronią metal przenoszony w łuku i płynne jeziorko przed szkodliwym działaniem otaczającego powietrza; żużel powstały z otuliny chroni spoinę przed utlenieniem; składniki otuliny wiążą chemicznie szkodliwe gazy (tlen, wodór, azot); w procesie spawania do spoiny przechodzą składniki stopowe metali zawarte w otulinie, dzięki czemu uzyskuje ona lepsze własności wytrzymałościowe. Elektrody otulone możemy podzielić biorąc pod uwagę: grubość; skład chemiczny otuliny; zastosowanie elektrody. Ze względu na grubość otuliny rozróżnia się: elektrody cienko otulone o grubości otuliny poniżej 10% średnicy rdzenia; elektrody średnio otulone o grubości otuliny 10 40% średnicy rdzenia; elektrody grubo otulone o grubości otuliny powyżej 40% średnicy rdzenia; Ze względu na skład chemiczny otuliny elektrody można podzielić na: elektrody o otulinie kwaśnej (A); elektrody o otulinie zasadowej (B); elektrody o otulinie rutylowej (R); elektrody o otulinie celulozowej (C); elektrody o otulinie utleniającej (O); elektrody o otulinie innej (V). Ze względu na zastosowanie, elektrody otulone można podzielić na: a) elektrody do spawania połączeniowego: stali niskowęglowych i o podwyższonej wytrzymałości; stali niskostopowych; stali wysokostopowych; żeliwa; metali nieżelaznych; b) elektrody do napawania; c) elektrody do cięcia i żłobienia. 7
Elektrody do spawania stali niskowęglowych oznacza się następująco (wg polskiego producenta Huty Baildon): pierwsza litera E oznacza elektrodę, druga typ otuliny, trzecia nr typoszeregu, dwie ostatnie informację o minimalnej wytrzymałości stopiwa na rozciąganie, np. ER-346 oznacza elektrodę rutylową o R m =46 kg/mm². Elektrody do spawania stali niskostopowych posiadają oznaczenia składające się z trzech członów: pierwsze dwie litery ES oznaczają elektrodę stopową, symbole chemiczne składników stopowych i cyfrowe charakteryzują zawartość niektórych składników, ostatnia litera oznacza typ otuliny. Np. ES9Cr8 oznacza: ES elektroda stopowa, 9Cr zawartość 9% chromu, B otulina zasadowa. Elektrody do spawania stali wysokostopowych posiadają następujące oznaczenia: pierwsze dwie litery ES oznaczają elektrodę stopową, cyfry podają skład chemiczny w kolejności: Cr, Ni, Mo, Mn, ostatnia litera podaje typ otuliny, np. ES18-12-2R oznacza: ES elektroda stopowa, 18% Cr, 12% Ni, 2%Mo, R otulina rutylowa. Elektrody do spawania żeliwa oznacza się oznacza się następująco: EŻO elektroda do spawania żeliwa na gorąco, EŻM elektroda do spawania żeliwa na zimno. 2.5. Urządzenia do spawania łukowego. Jako źródło do ręcznego spawania łukowego stosuje się następujące urządzenia: a) przetwornice spawalnicze; b) transformatory spawalnicze c) prostowniki spawalnicze; d) spawarki inwertorowe. Ad. a) Przetwornica spawalnicza zbudowana jest z prądnicy spawalniczej i silnika napędowego. Silnik pobiera prąd z sieci, a prądnica zasila obwód roboczy w prąd niezbędny do wytwarzania łuku elektrycznego i utrzymania go w czasie spawania. Jako napędy do prądnic mogą służyć silniki trójfazowe asynchroniczne prądu przemiennego, silniki prądu stałego i silniki spalinowe. W kraju produkowane były m.in. następujące typy przetwornic spawalniczych: EW-23u, EW-32a, EWh-450, EWPn-300, EWD1-300. Spośród nich tylko EWh-450 ma prądnicę spawalniczą obcowzbudną z szeregowym uzwojeniem demagnesującym, natomiast wszystkie inne przetwornice mają prądnice spawalnicze o polu poprzecznym. Przetwornice spawalnicze, jak również inne urządzenia spawalnicze zasilające energia elektryczną muszą mieć taką budowę, która czyniłaby je niewrażliwymi na zwarcie w przewodach elektrycznych, gdyż przy zajarzeniu elektrody i przechodzeniu metalu w łuku powstają ciągłe zwarcia. Prądnica spawalnicza daje taki prąd, że w czasie zwarcia napięcie może spaść do zera, a natężenie wzrasta niewiele ponad wartość nastawioną na prądnicy. W czasie zwarcia natężenie to może wzrosnąć od 10 do 30% nastawionego tj. natężenia roboczego. Taka konstrukcja prądnicy zapewnia prawie stałe natężenie prądu i stabilny łuk elektryczny mimo częstych zwarć. Wykres 8
obrazujący zależność pomiędzy napięciem i natężeniem nazywa się charakterystyką statyczną źródła prądu (rys. 8). Rys. 8. Charakterystyki statyczne przetwornicy spawalniczej. Do wad przetwornic spawalniczych zalicza się duży pobór prądu na biegu jałowym i głośna praca. Poza tym części obracające się mają niezbyt wysoką żywotność i ich konserwacja jest kłopotliwa. Fot. 1. Przetwornica spawalnicza wirowa EWPA-315-3. Ad. b) Krajowy przemysł sprzętu spawalniczego produkował dwie wersje konstrukcyjne transformatorów spawalniczych; z ruchomym bocznikiem magnetycznym (ET-100, ETd-75, ETd-250) oraz z dławikiem na wspólnym rdzeniu (ETc-500, ETb-1000); są one transformatorami jednofazowymi, przystosowanymi do częstotliwości 50 Hz. Zakres regulacji prądu spawania w zależności od typu waha się w granicach od kilkudziesięciu do kilkuset amperów. Charakterystyka statyczna transformatorów spawalniczych jest również stromo opadająca. Transformatory spawalnicze są ekonomiczniejsze od przetwornic spawalniczych. Na biegu jałowym pobierają mały prąd i nie mają części ruchomych, które ulegają towe 9
zużyciu. Wymiary gabarytowe transformatorów spawalniczych są niewielkie. Ich wadą jest to, że obciążają tylko jedną fazę w sieci elektrycznej, a spawać można tylko elektrodami posiadającymi jonizującą otulinę (kwaśnymi i rutylowymi). Ad. c) Prostowniki spawalnicze składają się z następujących zespołów: trójfazowego transformatora; układu regulacji natężenia prądu; układu prostowniczego prądu z przemiennego na stały. W Polsce wyprodukowano prostowniki o stromo opadającej charakterystyce statycznej: STS-250, STS-500, SPB-315. Dwie pierwsze mają transduktorową regulacje prądu, a prostowniki SPB-315 posiadają regulację prądu spawaniaza pomocą boczników magnetycznych. Do zalet prostowników spawalniczych należy: możliwość spawania wszystkimi rodzajami elektrod; duża trwałość; duża sprawność w szerokich granicach obciążenia; małe zużycie energii na biegu jałowym; natychmiastowa gotowość do pracy po włączeniu do sieci elektrycznej; prosta obsługa; bezszumna praca. Ad. d) Obecnie rynek podbijają spawarki inwertorowe lekkie, proste obsłudze, nie obciążające aż do tego stopnia, co tradycyjne sieci elektrycznej. Może być zasilana napięciem 230 V lub 400 V. Generalna zasada działania inwertora to przetworzenie częstotliwości prądu pobieranego z sieci. Dzięki znacznemu zwiększeniu częstotliwości, możliwe jest uzyskanie wysokich prądów spawania ze stosunkowo niewielkich transformatorów, a zaletami tego rodzaju spawarek są niewielka waga i małe gabaryty. Standardowo można nimi spawać metodami MMA (elektrodą otuloną) oraz TIG. Spawarki te znajdują swoje szerokie zastosowanie w wielu serwisach hydraulicznych, drobnych warsztatach itp. Główne zalety tej technologii to: dużo niższa waga (nawet do kilkudziesięciu kilogramów) doskonałej jakości, stabilny prąd - a co za tym idzie lepszej jakości spoiny możliwość bezproblemowej pracy na długich przedłużaczach. stabilne spawanie na agregatach łatwość przenoszenia w przypadku przegrzania, schłodzenie urządzenia następuje w ciągu 2-3 minut (w transformatorowych nawet do 15 min.) 2.6. Rodzaje złącz i spoin. Pozycje spawania. Rozróżniamy złącza: doczołowe, zakładkowe, nakładkowe, narożne, kątowe, krzyżowe, otworowe i przylgowe (rys. 9). 10
Złącza te mogą być wykonane przy użyciu spoin następujących rodzajów: czołowych (rys. 9a), pachwinowych (rys. 9b, c, d, f, g), otworowych (rys. 9h) i grzbietowych (rys. 9i). Rys. 9. Złącza spawane: a doczołowe; b zakładkowe; c nakładkowe; d teowe; e narożne; f kątowe; g krzyżowe; h otworowe; i przylgowe. Najczęściej stosowane są spoiny czołowe i pachwinowe. Aby uzyskać prawidłowy przetop, brzegi łączonych elementów ukosuje się. Zależnie od kształtu brzegów rowka, rozróżniamy spoiny; I, V, U, X, podwójne U, 1/2V, K, J, B (rys. 10). Rys. 10. Podstawowe oznaczenia spoin. 11
Spoiny I jednostronne stosuje się do grubości 4 mm. Blachy o grubości 4 8 mm (jeśli jest możliwość spawania z dwóch stron) można również przygotować na spoinę I. W większości przypadków blachy o grubości powyżej 4 mm spawa się z uprzednim ukosowaniem. Blachy o grubości 4 12 mm ukosuje się na V. Ścianki blachy są ukosowane pod kątem 25 30, tworząc rowek o kącie 50 60. Pomiędzy brzegami pozostawia się odstęp 2 3 mm, aby uzyskać dobre przetopienie metalu. Przy grubościach blachy powyżej 12 mm, gdy jest odstęp z obu stron, stosuje się ukosowanie na X. Powyżej 30 mm grubości ukosuje się na U, a gdy dostęp jest z obu stron na 2U. Ukosowanie na U daje duże oszczędności elektrod i czasu spawania. Ścieżkę metalu, którą spawacz układa przesuwając topiącą się elektrodę nazywamy ściegiem. Prowadząc elektrodę w linii prostej bez wykonywania bocznych ruchów, spawacz układa ścieg gruby i wąski, zwany ściegiem prostym. Nadając końcowi elektrody ruch wahadłowo-postępowy spawacz rozprowadza metal na większej szerokości; ścieg w ten sposób wykonany nazywamy ściegiem zakosowym. Stopień trudności ułożenia i otrzymania prawidłowej spoiny zależy, między innymi, od pozycji spawania. Pozycję spawania określa położenie dwóch osi spoiny: podłużnej OY, będącej linią grani oraz osi przekroju OX, prostopadłej do OY i będącej osią symetrii przekroju spoiny. Gdy osie zajmują położenie jak na rys. 11, wówczas spoina jest w pozycji podolnej. Rys. 11. Usytuowanie pozycji podolnej w przestrzeni. Z uwagi na powyższe rozróżnia się spawanie w pozycji podolnej, nabocznej, pionowej, naściennej, okapowej i pułapowej (rys. 12). Rys. 12. Podstawowe pozycje spawania. Najkorzystniejszą z nich jest pozycja podolna, ponieważ tylko w tym wypadku siły grawitacji nie powodują wypływania spoiwa z rowka, a pozostałe nazywamy przymusowymi. 12
2.7. Zasady doboru warunków spawania. Jednym z podstawowych czynników, który wpływa na możliwość uzyskania złącza spawanego o zakładanych własnościach mechanicznych jest dobór prądu spawania. Dokładna regulacja prądu wymaga od spawacza dużego doświadczenia. Ponieważ wykonywana jest najczęściej na podstawie obserwacji poczynionych w trakcie spawania. Natężenie prądu spawania dobiera się w zależności od następujących czynników: grubości rdzenia elektrody; grubości i składu chemicznego otuliny; rodzaju napięcia zasilania; rodzaju i grubości spawanego materiału; wstępnej temperatury spawanych elementów; rodzaju złącza spawanego. Grubość rdzenia elektrody otulonej ma zasadniczy wpływ na dobór natężenia prądu spawania. Można je wstępnie ustalić na podstawie następującej zależności; I = (20 + 6 d) d gdzie: I natężenie prądu spawania [A] d średnica rdzenia elektrody [mm] Im elektroda ma grubszą otulinę, tym więcej ciepła konieczne jest do jej stopienia, a więc tym większe musi być natężenie prądu. Następnym czynnikiem wpływającym na wartość natężenia prądu jest rodzaj spawanego materiału, przy czym największe znaczenie mają w tym przypadku takie własności jak: temperatura topnienia, przewodność cieplna i pojemność cieplna. I tak na przykład spawanie miedzi wymaga wyższego natężenia prądu niż spawanie stali ze względu na duży współczynnik przewodzenia ciepła, mimo niższej temperatury topnienia. Oczywiste jest również, że przedmiot grubszy lepiej odprowadza ciepło ze strefy spawanej niż przedmiot cienki i dlatego należy go spawać większym prądem. Z podobnymi problemami mamy do czynienia rozpatrując wpływ rodzaju złącza na wielkość natężenia prądu. Wiadomo na przykład, że w złączu teowym ciepło szybciej jest odprowadzane niż w złączu doczołowym. Jest to spowodowane większą koncentracją materiału wokół spoiny i dlatego do jego spawania potrzebne jest wyższe natężenie prądu. Przedmioty poddane przed spawaniem wstępnemu podgrzaniu należy spawać niższym prądem. Pozycja spawania ma także istotny wpływ na wielkość natężenia prądu; przy spawaniu w pozycjach przymusowych należy je zmniejszyć o 10 20%. W tablicach 1, 2, 3 przedstawiono zalecane warunki wykonywania połączeń spawanych z uwzględnieniem podstawowych rodzajów spoin, pozycji spawania, średnicy elektrody otulonej i grubości łączonych elementów. 13
Tabl. 1. Warunki wykonywania spoin czołowych na I. Grubość metalu Rodzaj spoiny Średnica elektrody Natężenie w [A] przy położeniach [mm] [mm] podolnym innych 3 4 jednostronna 4 160 200 140 180 5 6 4 160 200 140 180 7 8 dwustronna 4 240 280 220 250 10 4 280 320 250 320 Tabl. 2. Warunki wykonywania spoin czołowych na V. Grubość Ilość warstw Średnica metalu Kolejność oprócz elektrody łączonego warstw podpawanych [mm] [mm] 10 2 12 3 16 18 5 6 14 Natężenie prądu w [A] przy położeniach podolnym innych pierwsza 5 190 240 170 220 następna 5 240 280 210 250 pierwsza 5 200 260 180 230 następna 6 280 350 220 280 pierwsza 6 240 280 200 250 następna 6 280 350 220 280 Tabl. 3. Warunki wykonywania spoin pachwinowych. Średnica Natężenie prądu w [A] Boki spoiny Kolejność Ilość warstw elektrody przy położeniach [mm] warstw [mm] podolnym innych 5x5 1-4 140 180 120 160-5 190 240 170 210 6x6 1-4 160 200 140 180-5 210 260 190 230 8x8 1-5 230 270 200 240 10x10 2 pierwsza 5 230 270 200 240 następna 6 280 330 250 280 12 12 2 3 pierwsza 5 230 270 200 240 następna 6 280 330 250 280 2.8. Technika spawania stali elektrodami otulonymi. Brzegi łączonych elementów należy przed spawaniem dokładnie oczyścić z korozji, smarów, farby i brudu. Części o grubości powyżej 4 mm powinny być odpowiednio zukosowane (patrz punkt 2.6), Aby otrzymać prawidłowy przetop, należy pozostawić pomiędzy brzegami odstęp 2 3 mm. Sczepianie części przed spawaniem umożliwia otrzymanie stałego odstępu pomiędzy brzegami elementów. Prawidłowy sposób sczepiania blach przedstawia rys. 13. Odległość pomiędzy punktami sczepianymi powinna wynosić około 20 30 grubości blachy. Spawacz w trakcie spawania powinien zwracać uwagę na następujące elementy; zachowanie odpowiedniej pozycji elektrody względem spawanego przedmiotu; utrzymanie stałej i prawidłowej odległości elektrody od przedmiotu; odpowiednią manipulację elektrodą.
Ustawienie elektrody względem przedmiotu pokazano na przykładzie spawania w pozycji podolnej (rys. 14) i nabocznej (rys. 15). Utrzymanie prawidłowej długości łuku w trakcie spawania zapewnia odpowiednią stabilność łuku, zmniejsza rozprysk materiału oraz utlenienie i naazotowanie spoiny. Długość łuku powinna być równa średnicy rdzenia elektrody. Rys. 13. Sczepianie blach przed spawaniem. Rys. 14. Spawanie blach w pozycji podolnej: a) układanie pierwszego ściegu; b) układanie następnych ściegów. Rys. 15. Spawanie blach w pozycji nabocznej: a) układanie pierwszego ściegu; b) układanie następnych ściegów. 2.9. Zasady BHP obowiązujące podczas spawania 2.9.1. Zasady ogólne Spawanie i cięcie może być wykonywane tylko przez osoby pełnoletnie, które przeszły przeszkolenie, zdały egzamin i uzyskały uprawnienia potwierdzone książką spawacza. Spawacze winni być zaopatrzeni w sprzęt i odzież ochronną, taką jak tarcze, przyłbice lub okulary ochronne o odpowiednio zaciemnionych szkłach (zależnie od metody spawania), rękawice, fartuch skórzany i nakrycie głowy. Personel pomocniczy zatrudniony przy spawaniu również powinien mieć odpowiednie okulary lub tarcze ochronne. 15
Fot. 2. Sprzęt i akcesoria spawacza Spawalnie winny być wyposażone w urządzenia wentylacyjne. Przy spawaniu metali szkodliwych dla zdrowia, takich jak cynk i ołów, stosuje się stoły z wyciągiem wentylacyjnym oraz maski. Spawanie powinno odbywać się w oddzielonej od innych pomieszczeniach spawalni. Również poszczególne stanowiska spawalnicze muszą być oddzielone od siebie zasłonami. Na każde stanowisko powinno przypadać co najmniej 4 m² powierzchni. Zabronione jest wykonywanie prac spawalniczych w odległości mniejszej niż 5 m od materiałów łatwo palnych. 2.9.2. Przepisy BHP dotyczące spawania elektrycznego. Przy niewłaściwym posługiwaniu się sprzętem spawalniczym, spawacz narażony jest na porażenie prądem elektrycznym. Dlatego nie wolno dotykać gołymi rękami przedmiotu spawanego i uchwytu spawalniczego. Oprócz tego należy często kontrolować stan uziemienia urządzeń spawalniczych, a wszelkich napraw dokonywać tylko po uprzednim odłączeniu urządzenia od sieci elektrycznej. W trakcie usuwania żużla ze spoiny, dla ochrony oczu przed odpryskami, należy stosować okulary ochronne z przeźroczystymi szkłami. 3. Stanowisko laboratoryjne. W skład stanowiska wchodzą następujące elementy: stół spawalniczy SS-1800 z wyciągiem dolnym; prostownik spawalniczy typu SPB-315; uchwyt elektrodowy K-315/P60A; przewody doprowadzające prąd do przedmiotu i elektrody; próbki z blachy stalowej przeznaczone do spawania; młotek spawalniczy; szczotka druciana; tarcza ochronna; okulary ochronne. Prostownik spawalniczy przeznaczony jest do ręcznego spawania elektrodami otulonymi, a także do spawania metodą TIG. Do jego podstawowych danych technicznych należą: napięcie zasilania 3x380 V częstotliwość napięcia zasilania 50 Hz 16
znamionowy współczynnik mocy 0,6 znamionowy prąd spawania 315 A napięcie stanu jałowego 70 V masa 235 kg Prostownik SPB-315 ma transduktorową regulację prądu spawania. Oprócz tego cały zakres prądu spawania (5 315 A) podzielony jest na dwa podzakresy, wybierane przełącznikiem na płycie przedniej urządzenia. Charakterystykę statyczną prostownika SPB-315 przedstawia rys. 16. Na obudowie prostownika umieszczony jest włącznik (kolor zielony) i wyłącznik (kolor czerwony) zasilania. Z lewej strony płyty przedniej znajduje się przełącznik zakresów, a z prawej pokrętło płynnej zmiany prądu spawania. Rys. 16. Charakterystyki statyczne prostownika SPB-315. Przy uruchamianiu stanowiska należy wykonać następujące czynności: przełącznik zmiany zakresów ustawić na żądany zakres prądu spawania; pokrętło zmiany prądu spawania ustawić w odpowiedniej pozycji (po uprzednim dobraniu właściwej wielkości prądu spawania do stosowanej elektrody); uruchomić prostownik za pomocą włącznika zasilania; sprawdzić czy przepływ powietrza chłodzącego ma kierunek zgodny ze strzałką na obudowie; przystąpić do spawania. Prostownik wyłącza się poprzez naciśnięcie wyłącznika zasilania. 4. Przebieg ćwiczenia. Wykonywanie podstawowych złącz spawanych w typowych pozycja spawania. W ramach ćwiczenia należy wykonać: dobrać wstępne wartości natężenia prądu spawania do średnicy używanych elektrod na podstawie podanego wzoru i tabel oraz zanotować wynik; 17
zajarzyć łuk elektryczny; nałożyć na próbce odcinek spoiny; skorygować prąd spawania na podstawie oceny stabilności jarzenia się łuku oraz wyglądu spoiny; spawać złącze doczołowe w pozycji podolnej; spawać złącze teowe w pozycji nabocznej. Czynności te będą przeprowadzone pokazem wykonanym przez instruktora. W trakcie spawania należy zwrócić szczególną uwagę na: utrzymanie prawidłowych kątów ustawienia elektrody względem przedmiotu; odpowiednią długość łuku; prędkość przesuwania elektrody. Po każdorazowym wykonaniu spoiny lub złącza konieczne jest usunięcie żużla ze spoiny za pomocą młotka, aby można było przeprowadzić ocenę prawidłowości uzyskanej spoiny. Następnie należy wykonać szkice złącz z zaobserwowanymi wadami, zanotować dobrane parametry spawania, tj. prąd spawania, rodzaj i wymiar elektrody oraz grubość łączonej blachy. 5. Opracowanie sprawozdania. Sprawozdanie powinno zawierać: a) stronę tytułową; b) krótki wstęp teoretyczny dotyczący spawania ręcznego elektrodami otulonymi; c) wg rysunku elementów przeznaczonych do spawania przekazanego przez wykładowcę opisać i określić: przygotowanie elementów do spawania; pozycję spawania; rodzaj złącza i spoiny; metodę spawania; dobór elektrody (średnica, długość, rodzaj otuliny); prąd spawania; środki ochrony BHP potrzebne dla spawacza. Pytania kontrolne 1. Omówić budowę i charakterystykę łuku elektrycznego. 2. Omówić zjawisko przepływu spoiwa. 3. Podać budowę strukturalną złącza spawanego. 4. Dokonać podziału i omówić rodzaje elektrod otulonych. 5. Omówić wady i zalety spawalniczych źródeł prądu. 6. Omówić charakterystykę statyczną spawalniczego źródła prądu. 7. Wymienić rodzaje złącz i spoin. 8. Scharakteryzować pozycje spawania. 9. Określić czynniki wpływające na wartość prądu spawania. 10. Omówić technikę spawania elektrodami otulonymi. 18
Literatura [1] J. Plewicki, Spawalnictwo, WAT, Warszawa 1970 [2] Z. Dobrowolski, Podręcznik spawalnictwa, WNT, Warszawa 1978 [3] Z. Dobrowolski, Spawalnictwo PWN, Warszawa 1958 [4] K. Marcolla, Zarys spawalnictwa, PWN, Warszawa 1981 [5] S. Jarmoszuk, Spawanie elektryczne, Biuro Wyd. HWU Libra, Warszawa 1980 [6] L. Mistur, Spawanie elektryczne i gazowe, WSiP, Warszawa 1984 [7] Praca zbiorowa, Poradnik mechanika, REA, Warszawa 2008 19