1999-12-21	Procesy spawalnicze-Wyznaczanie wskażnika wydajności spawania.	Chojnacki Roman
III MDL grupa 41			UWAGI:

Pod pojęciem procesów spawalniczych rozumiemy procesy trwałego łączenia metali oraz procesy pokrewne, w których z zastosowaniem tego samego źródła ciepła realizuje się cięcie, hartowanie powierzchniowe itp.

W zależności od rodzaju procesu otrzymujemy złącze spawane, lutowane lub zgrzewane. Nagrzanie metalu do stanu ciekłego w miejscu przyszłego połączenia oraz następne ochłodzenie to podstawowe założenia, aby móc mówić o spawaniu. Zazwyczaj ilość ciekłego metalu zwiększamy o spoiwo. W wyniku połączenia stopionego metalu oraz spoiwa otrzymujemy spoinę.

Jedną z bardziej popularnych metod spawania jest spawanie łukiem elektrycznym, które dzieli się na wiele odmian. W tej metodzie źródłem ciepła jest łuk elektryczny jarzący się między elektrodą a materiałem łączonym. Wykorzystujemy tu prąd stały lub przemienny. Spoiwo tworzy się z elektrod nietopliwych (grafitowe, wolframowe, węglowe) oraz topliwych (otulone, druty elektrodowe). W przypadku, gdy elektroda zamocowana jest w specjalnym uchwycie i prowadzona ręką spawacza mówimy o spawaniu łukiem ręcznym.

Również przy spawaniu w atmosferze gazów obojętnych (argon, hel) źródłem ciepła jest łuk elektryczny. Rozróżniamy tu dwie metody: TIG - stosując elektrodę nietopliwą, wolframową; MIG - stosując elektrodę topliwą z drutu stalowego. Ten rodzaj spawania stosuje się przy łączeniu stali nierdzewnych, stali kwaso- i żaroodpornych oraz stopów aluminium i magnezu. Gaz obojętny stanowi dobrą osłonę przed dostępem powietrza, co zapobiega utlenianiu się spoiny.

SPAWANIE GAZOWE.

Pod pojęciem spawania gazowego rozumiemy proces łączenia części metalowych poprzez nadtopienie ich krawędzi i spoiwa, które po zastygnięciu tworzą spoinę. Źródło ciepła stanowi płomień ze spalanego gazu palnego w atmosferze tlenu.

Najczęściej stosowany do tego celu jest acetylen charakteryzujący się wysoką temperaturą płomienia (3200 ⁰C). Otrzymuje się go w wyniku reakcji karbidu z wodą:

Karbid + Woda → Acetylen + Wapno

CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH) + Q

Acetylen techniczny stosowany do spawania zawiera do 2% obj. powietrza oraz maksymalnie 0,07% obj. fosforowodoru i siarkowodoru. Wytwarza się go w wytwornicach stałych i przenośnych. Najczęściej jednak gaz ten dostarczany jest do stanowisk spawalniczych w butlach. Rozcieńczenie acetylenu w acetonie umożliwia jego sprężenie do ciśnienia 18 atmosfer.

1 - jądro, 2 - strefa redukująca, 3 - kita.

Płomień stosowany w procesie spawania powstaje wskutek zapalenia mieszanki gazu palnego i tlenu. Jądro płomienia, znajdujące się u wylotu palnika nagrzewa się do temperatury zapłonu. Spalaniu gazu towarzyszy wzrost temperatury płomienia. Przy spawaniu wykorzystuje się obszar tuż za jądrem, w którym temperatura jest najwyższa. Na jakość płomienia wpływa skład chemiczny produktów spalania. Płomień obojętny powstaje, gdy spalanie odbywa się z udziałem tlenu pochodzącego z palnika;

C₂H₂ + O₂ → 2CO + H₂ + Q

Strefa ta, zwana strefą redukującą, zawiera 61% CO. Reakcja spalania zachodząca w tlenie pochodzącym z powietrza daje produkty tworzące atmosferę kity:

CO +
O₂ + 2N₂
CO₂ + 2N₂ + Q

H₂ +
O₂ + 2N₂
H₂O + 2N₂ + Q

C +
O₂ + 2N
CO + 2N₂ + Q

Wszystkie reakcje są egzotermiczne. Kształt i rozmiary poszczególnych stref zalerzą od stosunku objętościowego tlenu do acetylenu, określonego przez współczynnik względnego zużycia gazów β:

β =
.

Płomień obojętny charakteryzuje się współczynnikiem β = 1,1-1,2 , płomień nawęglający β < 1,1 , a płomień utleniający β > 1,2 .

Wypływające z palnika gazy wywierają na powierzchnię roztopionego metalu ciśnienie, które określamy z zależności:

p =
[ at ]

gdzie: c - prędkość wypływających gazów, [
]

g - przyspieszenie ziemskie, [
]

G - odwrotność gęstości, [
]

Kształtując lico spoiny przez pochylenie palnika wpływamy na jej jakość.

Podczas laboratorium stosowaliśmy spawanie w lewo. Metodą tą łączy się elementy stalowe o grubości do 3 mm. w pozycji podolnej. Palnik kierujemy od strony lewej do prawej pod katem 10-60⁰ w zależności od grubości blachy. Spoiwo podajemy punktowo pod kątem 45⁰. Drut prowadzimy przed palnikiem wzdłuż krawędzi blach ruchem jednostajnym, postępowym bez wykonywania ruchów poprzecznych. Zaletami tej metody są ładny wygląd spoiny oraz duża
szybkość spawania.

SPAWANIE ELEKTRYCZNE

Spawanie elektryczne elektrodą otuloną to proces łączenia metali polegający na miejscowym nadtapianiu ich krawędzi oraz elektrody z następnym krzepnięciem i stygnięciem uzyskanej w tym procesie spoiny. Źródłem ciepła jest łuk elektryczny utworzony między elektroda a materiałem spawanym.

Występujące w tym przypadku iskrzenie to przepływ prądu elektrycznego przebijającego cienką warstwę powietrza i płynącego z jednego przewodu do drugiego. Owo wyładowanie elektryczne charakteryzuje się dużym natężeniem i niskim napięciem (10-2000 A, 10-50 V). Warunkiem wystąpienia łuku elektrycznego jest zjonizowanie przestrzeni gazowej, co jest możliwe po jej podgrzaniu. Dokonuje się tego przez zetknięcie elektrody do materiału i jej odsuniecie na minimalna odległość.

Jony ujemne przepływają z dużą prędkością od bieguna ujemnego do bieguna dodatniego. Jony dodatnie odwrotnie.

Jarzący się łuk wydziela bardzo dużo skoncentrowanego ciepła. Rozkład temperatury w łuku nie jest równomierny. Najwyższa temperatura (4000-9000⁰C) panuje w przestrzeni słupa łuku. W przestrzeni przykatodowej temperatura jest w granicach 2200-3500⁰C, a w przestrzeni przyanodowej 2400-4000⁰C.

Przepływ metalu z elektrody do powierzchni spawanego detalu zależy od jego napięcia powierzchniowego, siły przyciągania ziemskiego, sil elektromagnetycznych (Lorentza) i sił elektrodynamicznych. W zależności od zastosowanego natężenia prądu spawania, rodzaju i grubości otuliny przenoszenie materiału może być kroplowe (w postaci kropel), natryskowe (w postaci bardzo małych kropel) i mieszane (duże i małe krople).

Opanowanie techniki spawania ręcznego wymaga skoordynowania ruchu przesuwu elektrody w kierunku jeziorka spawalniczego, ruchu przesuwu wzdłuż spawanego złącza oraz ruchów poprzecznych w celu uformowania lica. Luk zajarzamy przez dotknięcie elektroda spawanego materiału ruchem podobnym do zapalania zapałki. Przypadkowe przyklejenie elektrody niweluje się przez jej gwałtowne odłamanie, a w ostateczności przez wypuszczenie z uchwytu. Ważną rzeczą jest dobór natężenia prądu spawania, co określa się ze wzoru:

I = kd [ A ]

gdzie: k - współczynnik zależny od średnicy elektrody [
]

d < 2 mm. → k = 25-30

d = 2-4 mm. → k = 30-40

d =4-6 mm. → k = 40-60

Spoinę układamy ściegiem, którego szerokość nie powinna być większa od dwóch średnic elektrody.

SPAWANIE W OSŁONIE ARGONU.

Spawanie w osłonie argonu wykonuje się za pomocą łuku elektrycznego jarzącego się w atmosferze argonu. Argon jest gazem szlachetnym i stanowi warstwę ochraniającą koniec elektrody oraz stopiwo przed działanie tlenu i azotu z powietrza. Czystość argonu do spawania powinna wynosić 99,8%. Spawanie w osłonie argonu stosuje się do spawania metali nieżelaznych. Aluminium i stopy aluminiowe oraz magnez i stopy magnezowe spawa się prądem przemiennym. Miedź i stale stopowe spawa się prądem stałym biegunem dodatnim przyłączony do materiału spawanego.

Istnieją dwie metody spawania argonowego, z których na laboratorium stosowaliśmy metodę MIG. Polega ona na spawaniu elektroda topliwą, która stanowi drut nieotulony podawany za pomocą specjalnego podajnika.

Metodę MIG stosuje się do grubszych materiałów, przeważnie powyżej 4 mm.

WNIOSKI I TABELA WYNIKÓW.

Po przeprowadzeniu ćwiczenia i dokonaniu obliczeń możemy stwierdzić wynosi odpowiednio 17 i 29 %. Wynika on z rozprysku i wypalania topionego rdzenia elektrody. Zużycie energii elektryczne niemalże identyczne w obu elektrodach. Rzeczywista ilość uzyskanego stopiwa wynosiła 0.00166[g/Ah] oraz 0.0.00185 [g/Ah].

Lp	Gat elek	d [mm]	l [mm]	la [mm]	I [A]	t [s]	V [mm/s]	me [g]	mr [g]	mp [g]	mps [g]	ms [g]	Us [%]	Ue [%]	Alfa [g/Ah]	Fi [%]	L [kWh]
1	ER146	2	250	80	90	33.44	7.476	7.8	3.872	52	57	5	129.13	64.103	0.00166	29.132	0.02
1	ER150	2.5	350	207	90	35.95	9.73	17	5.08	52	58	6	117.89	35.29	0.00185	17.89	0.022

---